Les observations portent désormais sur les 500 millions d’années qui ont suivi le Big Bang, lorsque l’univers avait moins de 5 % de son âge actuel. Pour les humains, cette fois-ci placerait l’univers fermement au stade des tout-petits.

Pourtant, les galaxies que nous observons ne sont certainement pas infantiles, de nouvelles observations révélant des galaxies plus massives et plus matures que prévu à des époques aussi reculées, contribuant ainsi à réécrire notre compréhension de la formation et de l'évolution des galaxies.

Notre équipe de recherche internationale a récemment réalisé des observations détaillées sans précédent de l'une des premières galaxies connues, baptisée Gz9p3, et maintenant publiée dans Nature Astronomy. .

Son nom vient de la collaboration Glass (le nom de notre équipe de recherche internationale) et du fait que la galaxie se trouve à un redshift de z=9,3 où le redshift est une façon de décrire la distance à un objet — d'où G et z9p3.

Il y a quelques années à peine, Gz9p3 est apparu comme un point lumineux unique à travers le télescope spatial Hubble. Mais en utilisant le télescope spatial James Webb, nous avons pu observer cet objet tel qu'il était 510 millions d'années après le Big Bang, il y a environ 13 milliards d'années.

Nous avons découvert que Gz9p3 était bien plus massif et mature que prévu pour un univers aussi jeune, contenant déjà plusieurs milliards d'étoiles.

De loin l'objet le plus massif confirmé à cette époque, il a été calculé comme étant 10 fois plus massif que toute autre galaxie trouvée aussi tôt dans l'univers.

Ensemble, ces résultats suggèrent que pour que la galaxie atteigne cette taille, les étoiles doivent s'être développées beaucoup plus rapidement et plus efficacement que nous le pensions au départ.

Fusion de galaxies la plus lointaine du premier univers

Non seulement ce Gz9p3 est massif, mais sa forme complexe l'identifie immédiatement comme l'une des premières fusions de galaxies jamais observées.

L'imagerie JWST de la galaxie montre une morphologie généralement associée à deux galaxies en interaction. Et la fusion n'est pas terminée car nous voyons encore deux composantes.

Lorsque deux objets massifs se rejoignent ainsi, ils jettent effectivement une partie de la matière dans le processus. Ainsi, cette question abandonnée suggère que ce que nous avons observé est l'une des fusions les plus lointaines jamais vues.

Ensuite, notre étude a approfondi pour décrire la population d’étoiles qui composent les galaxies en fusion. Grâce à JWST, nous avons pu examiner le spectre de la galaxie, en divisant la lumière de la même manière qu'un prisme divise la lumière blanche en un arc-en-ciel.

Lorsqu'on utilise l'imagerie seule, la plupart des études de ces objets très éloignés ne montrent que de très jeunes étoiles, car les étoiles les plus jeunes sont plus brillantes et leur lumière domine donc les données d'imagerie.

Par exemple, une population jeune et brillante issue de la fusion de galaxies, âgée de moins de quelques millions d'années, éclipse une population plus âgée déjà âgée de plus de 100 millions d'années.

Grâce à la technique de spectroscopie, nous pouvons produire des observations si détaillées que les deux populations peuvent être distinguées.

Nouveaux modèles de l'univers primitif

Une population aussi mature et plus âgée n’était pas prévue compte tenu de la façon dont les premières étoiles auraient dû se former pour avoir suffisamment vieilli à cette époque cosmique. La spectroscopie est si détaillée que nous pouvons voir les caractéristiques subtiles des vieilles étoiles qui nous indiquent qu'il y en a plus que vous ne le pensez.

Des éléments spécifiques détectés dans le spectre (notamment le silicium, le carbone et le fer) révèlent que cette population plus âgée doit exister pour enrichir la galaxie d'une abondance de produits chimiques.

Ce n'est pas seulement la taille des galaxies qui est surprenante, mais aussi la vitesse à laquelle elles ont atteint un tel état chimiquement mature.

Ces observations fournissent la preuve d'une accumulation rapide et efficace d'étoiles et de métaux immédiatement après le Big Bang, liée aux fusions de galaxies en cours, démontrant que des galaxies massives comptant plusieurs milliards d'étoiles ont existé plus tôt que prévu.

Les galaxies isolées construisent leur population d'étoiles in situ à partir de leurs réservoirs de gaz limités, cependant, cela peut être un moyen lent pour la croissance des galaxies.

Les interactions entre les galaxies peuvent attirer de nouveaux afflux de gaz vierge, fournissant le carburant nécessaire à la formation rapide d'étoiles, et les fusions fournissent un canal encore plus accéléré pour l'accumulation et la croissance de masse.

Les plus grandes galaxies de notre univers moderne portent toutes un historique de fusions, y compris notre propre Voie Lactée qui a atteint sa taille actuelle grâce à des fusions successives avec des galaxies plus petites.

Ces observations de Gz9p3 montrent que les galaxies étaient capables d'accumuler rapidement de la masse dans l'univers primitif grâce à des fusions, avec des efficacités de formation d'étoiles supérieures à celles attendues.

Ceci et d'autres observations utilisant le JWST amènent les astrophysiciens à ajuster leur modélisation des premières années de l'univers.

Notre cosmologie n'est pas nécessairement fausse, mais notre compréhension de la rapidité avec laquelle les galaxies se sont formées l'est probablement, car elles sont plus massives que nous n'aurions jamais cru possible.

Ces nouveaux résultats arrivent à point nommé alors que nous approchons du cap des deux ans d'observations scientifiques réalisées à l'aide du JWST.

À mesure que le nombre total de galaxies observées augmente, les astronomes qui étudient l'univers primitif passent de la phase de découverte à une période où nous disposons d'échantillons suffisamment grands pour commencer à construire et à affiner de nouveaux modèles.

Il n'y a jamais eu de moment plus excitant pour donner un sens aux mystères de l'univers primitif.