Certains ont appelé le télescope spatial James Webb de la NASA le « télescope qui a mangé l'astronomie ». C'est le télescope spatial le plus puissant jamais construit et une pièce complexe d'origami mécanique qui a repoussé les limites de l'ingénierie humaine. Le 18 décembre, 2021, après des années de retards et des milliards de dollars de dépassements de coûts, le télescope est prévu pour se lancer en orbite et inaugurer la prochaine ère de l'astronomie.

Je suis un astronome spécialisé en cosmologie observationnelle. J'étudie les galaxies lointaines depuis 30 ans. Certaines des plus grandes questions sans réponse sur l'univers concernent ses premières années juste après le Big Bang. Quand se sont formées les premières étoiles et galaxies ? Qui est venu en premier, et pourquoi? Je suis incroyablement excité que les astronomes puissent bientôt découvrir l'histoire de la façon dont les galaxies ont commencé parce que James Webb a été spécialement conçu pour répondre à ces questions.

Les « âges sombres » de l'univers

D'excellentes preuves montrent que l'univers a commencé avec un événement appelé Big Bang il y a 13,8 milliards d'années, qui l'a laissé dans un ultra-chaud, état ultra-dense. L'univers a immédiatement commencé à s'étendre après le Big Bang, refroidissement comme il l'a fait. Une seconde après le Big Bang, l'univers mesurait cent mille milliards de kilomètres de diamètre avec une température moyenne incroyable de 18 milliards de degrés F (10 milliards de degrés Celsius). Environ 400, 000 ans après le Big Bang, l'univers avait 10 millions d'années-lumière de diamètre et la température s'était refroidie à 5, 500 F (3, 000°C). Si quelqu'un avait été là pour le voir à ce stade, l'univers aurait brillé d'un rouge terne comme une lampe chauffante géante.

Pendant tout ce temps, l'espace était rempli d'une soupe onctueuse de particules à haute énergie, radiation, l'hydrogène et l'hélium. Il n'y avait pas de structure. Alors que l'univers en expansion devenait plus grand et plus froid, la soupe s'est éclaircie et tout est devenu noir. Ce fut le début de ce que les astronomes appellent l'âge des ténèbres de l'univers.

La soupe de l'âge des ténèbres n'était pas parfaitement uniforme et en raison de la gravité, de minuscules zones de gaz ont commencé à s'agglomérer et à devenir plus denses. L'univers lisse est devenu grumeleux et ces petits amas de gaz plus dense étaient les graines de la formation éventuelle d'étoiles, galaxies et tout le reste de l'univers.

Même s'il n'y avait rien à voir, l'âge des ténèbres était une phase importante dans l'évolution de l'univers.

À la recherche de la première lumière

L'âge des ténèbres a pris fin lorsque la gravité a formé les premières étoiles et galaxies qui ont finalement commencé à émettre la première lumière. Bien que les astronomes ne sachent pas quand la première lumière s'est produite, la meilleure estimation est que c'était plusieurs centaines de millions d'années après le Big Bang. Les astronomes ne savent pas non plus si les étoiles ou les galaxies se sont formées en premier.

Les théories actuelles basées sur la structure de la gravité dans un univers dominé par la matière noire suggèrent que de petits objets, comme les étoiles et les amas d'étoiles, se sont probablement formés en premier, puis sont devenus des galaxies naines, puis des galaxies plus grandes comme la Voie lactée. Ces premières étoiles de l'univers étaient des objets extrêmes par rapport aux étoiles d'aujourd'hui. Ils étaient un million de fois plus brillants mais leur vie était très courte. Ils brûlaient chauds et brillants et quand ils sont morts, ils ont laissé des trous noirs jusqu'à cent fois la masse du Soleil, qui pourraient avoir agi comme les graines de la formation des galaxies.

Les astronomes aimeraient étudier cette ère fascinante et importante de l'univers, mais détecter la première lumière est incroyablement difficile. Par rapport au massif, galaxies brillantes d'aujourd'hui, les premiers objets étaient très petits et en raison de l'expansion constante de l'univers, ils sont maintenant à des dizaines de milliards d'années-lumière de la Terre. Aussi, les premières étoiles étaient entourées de gaz résiduel de leur formation et ce gaz agissait comme un brouillard qui absorbait la plus grande partie de la lumière. Il a fallu plusieurs centaines de millions d'années aux radiations pour chasser le brouillard. Cette lumière précoce est très faible au moment où elle arrive sur Terre.

Mais ce n'est pas le seul défi.

Au fur et à mesure que l'univers s'étend, il étire continuellement la longueur d'onde de la lumière qui le traverse. C'est ce qu'on appelle le décalage vers le rouge car il déplace la lumière de longueurs d'onde plus courtes, comme la lumière bleue ou blanche, vers des longueurs d'onde plus longues comme la lumière rouge ou infrarouge. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une analogie parfaite, c'est comme quand une voiture passe devant vous, la hauteur de tous les sons qu'il produit diminue sensiblement.

Au moment où la lumière émise par une étoile ou une galaxie primitive il y a 13 milliards d'années atteint n'importe quel télescope sur Terre, il a été étiré d'un facteur 10 par l'expansion de l'univers. Il arrive sous forme de lumière infrarouge, ce qui signifie qu'il a une longueur d'onde plus longue que celle de la lumière rouge. Pour voir la première lumière, vous devez rechercher la lumière infrarouge.

Le télescope comme machine à remonter le temps

Entrez dans le télescope spatial James Webb.

Les télescopes sont comme des machines à remonter le temps. Si un objet vaut 10, à 000 années-lumière, cela signifie que la lumière prend 10, 000 ans pour atteindre la Terre. Donc, plus les astronomes s'éloignent dans l'espace, plus on remonte dans le temps.

Les ingénieurs ont optimisé James Webb pour détecter spécifiquement la faible lumière infrarouge des premières étoiles ou galaxies. Par rapport au télescope spatial Hubble, James Webb a un champ de vision 15 fois plus large sur sa caméra, recueille six fois plus de lumière et ses capteurs sont réglés pour être les plus sensibles à la lumière infrarouge.

La stratégie sera de regarder profondément une parcelle de ciel pendant une longue période, collecter autant de lumière et d'informations que possible des galaxies les plus lointaines et les plus anciennes. Avec ces données, il est peut-être possible de répondre quand et comment l'âge des ténèbres s'est terminé, mais il y a bien d'autres découvertes importantes à faire. Par exemple, démêler cette histoire peut aussi aider à expliquer la nature de la matière noire, la forme mystérieuse de la matière qui constitue environ 80% de la masse de l'univers.

James Webb est la mission la plus difficile techniquement jamais entreprise par la NASA. Mais je pense que les questions scientifiques auxquelles il peut aider à répondre vaudront chaque once d'effort. Moi et d'autres astronomes attendons avec impatience que les données commencent à revenir dans le courant de 2022.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.