Les astronomes ont confirmé la découverte de la deuxième galaxie la plus éloignée de nous

Et les étoiles sont déjà assez vieilles

Sur la grande photo de gauche, les galaxies du grand amas MACS J1149 + 2223 sont principalement visibles. La lentille gravitationnelle de l'amas géant a augmenté la lumière de la galaxie MACS 1149-JD récemment découverte environ 15 fois. En haut à droite, la partie agrandie de l'image est affichée plus en détail, et encore plus elle est agrandie en bas à droite.

Nous avons regardé aussi loin dans l'espace que le permettent nos meilleurs télescopes, mais nous n'avons pas encore vu d'endroits où il n'y aurait ni étoiles ni galaxies. Il y a un grand écart entre la première galaxie que nous avons trouvée, GN-z11 , qui existait lorsque l'Univers n'avait que 400 millions d'années, et l'illumination résiduelle du Big Bang, préservée depuis que l'Univers avait 380 000 ans. Il doit y avoir quelques premières étoiles entre elles, mais nous n'avons aucun moyen de regarder directement une telle distance. Et jusqu'à ce que nous ayons un télescope pour eux. James Webb , nous ne pouvons fonctionner qu'avec des preuves indirectes.


En étudiant une partie de plus en plus grande de l'Univers, nous regardons plus loin dans l'espace, et donc dans le temps. Le télescope James Webb nous permettra d'atteindre directement les profondeurs auxquelles les équipements actuels ne peuvent pas pénétrer

Mais dans le domaine des preuves indirectes, nous avons reçu beaucoup de renfort. Les scientifiques viennent de confirmer la découverte de la deuxième galaxie la plus éloignée, MACS1149-JD1, dont la lumière nous est parvenue depuis que l'Univers avait 530 millions d'années, soit 4% de son âge actuel. Il est à noter ici que nous avons pu y détecter de l'oxygène, et c'est la première fois qu'un élément aussi lourd est retrouvé dans un passé aussi lointain. Sur la base de nos observations, nous pouvons conclure que cette galaxie a au moins 250 millions d'années - et cela repousse encore plus loin les preuves de l'existence des premières étoiles.


Diagramme schématique de l'histoire de l'univers, indiquant la réionisation. Avant la formation d'étoiles ou de galaxies, l'Univers était plein d'atomes neutres bloquant la lumière. La plupart de l'univers n'a pas subi de réionisation jusqu'à 550 millions d'années, mais plusieurs régions ont eu plus de chance et se sont réionisées beaucoup plus tôt.

Sur la base de la composition de l'Univers: 68% d'énergie sombre, 27% de matière noire, 4,9% de matière normale, 0,1% de neutrinos et radiation 0,01% de rayonnement, nous pouvons simuler comment et quand les étoiles devraient s'y former et galaxies. Comme nous pouvons mesurer directement les propriétés initiales à l'âge de 380 000 ans, il nous suffit de prendre en compte les lois de la physique et de commencer l'évolution dans le temps. Nos meilleures simulations montrent une merveilleuse histoire de l'apparition de la toile cosmique, dont l'aboutissement conduit à l'apparition de galaxies et de leurs amas, séparés par d'énormes vides cosmiques dans l'univers en expansion avec accélération.



Si les lois de la physique sont ce que nous considérons être, alors nous pouvons nous attendre à une période - les siècles sombres - où la gravité entraîne la matière dans des régions de haute densité, mais elle ne s'est pas encore effondrée, n'a pas suffisamment compressé pour former des étoiles. Les toutes premières étoiles pourraient se former entre 50 et 200 millions d'années, puis un très grand nombre d'étoiles apparaîtraient en très peu de temps. Les plus petits amas d'étoiles ont fusionné en plus grands et, par conséquent, dans les protogalaxies - les blocs de construction des galaxies que nous voyons aujourd'hui. En conséquence, environ 550 millions d'années après le Big Bang, suffisamment d'étoiles se sont formées pour effacer l'univers des atomes de blocage de la lumière neutre, et nous pouvons voir tout cela en utilisant un télescope optique suffisamment puissant.


L'idée de l'artiste de l'Univers primitif après la formation, la vie et la mort des premiers milliers de milliards d'étoiles. L'existence et le cycle de vie des étoiles sont le principal processus qui enrichit l'Univers avec des éléments extérieurs à l'hydrogène et à l'hélium, et le rayonnement émis par les premières étoiles le rend transparent à la lumière visible. On ne peut pas encore observer directement la population des premières étoiles

Mais quand ces premières étoiles se sont-elles illuminées? Quelles sont leurs propriétés, en quoi diffèrent-elles d'aujourd'hui? À quelle vitesse ont-ils brûlé lorsque les premières étoiles se sont formées avec des planètes rocheuses et des ingrédients potentiels pour la vie? Existe-t-il une région préférée dans l'espace pour de tels processus?

Jusqu'à présent, nous pouvions remonter jusqu'à 400 millions d'années après le Big Bang, en utilisant les meilleures observations de la NASA, en trouvant de jeunes galaxies déjà développées. Récemment, nous avons pu mesurer indirectement un certain signe d'étoiles qui s'était formé encore plus tôt: lorsque l'Univers était de 180 à 260 millions d'années. Nous avons pensé qu'il faudrait attendre le lancement du télescope James Webb pour confirmer ces mesures.


Un échec significatif du graphique est le résultat direct d'une étude récente de Bowman et ses collègues, qui montre le signal de la ligne d'hydrogène de 21 cm , enregistré lorsque l'Univers était de 180 à 260 millions d'années. Cela correspond à l'apparition de la première vague d'étoiles et de galaxies dans l'Univers. Sur la base de ces preuves, le début de «l'aube cosmique» devrait être attribué au décalage vers le rouge ≈ 22.

Mais une nouvelle étude du 16 mai 2018, publiée dans Nature, peut contenir les preuves nécessaires que les étoiles existaient vraiment à ces débuts. Il existe de nombreux candidats, des galaxies ultra-lointaines - aux couleurs infrarouges voire infrarouges, parlant de leur extrême éloignement. Mais avant de confirmer ces distances, il y a une chance que ce ne soient que des quasags . Cette semaine, l'un des candidats aux premières galaxies s'est avéré être un quasag ; cela arrive assez souvent et souligne que nous avons besoin d'une confirmation.


L'amas de galaxies MACS J1149.5 + 223 d'une taille impressionnante, dont la lumière dure depuis 5 milliards d'années, était l'objectif d'un des programmes Hubble Frontier Fields (champs frontaliers). Cet objet massif subit une lentille gravitationnelle qui projette la lumière des objets situés derrière lui, les étire et les agrandit et nous permet de voir des périphéries plus éloignées.

Mais la galaxie MACS1149-JD1 s'est avérée vraiment aussi éloignée que nous le pensions et est devenue la deuxième galaxie la plus célèbre de loin. Et nous y avons trouvé non seulement les ingrédients des premières étoiles, l'hydrogène et l'hélium. Il y avait de l'oxygène, et bien que ce soit le troisième élément le plus abondant dans l'Univers, il n'est pas apparu dans le Big Bang, mais seulement après la vie et la mort de la première génération d'étoiles.


Les restes d'une supernova (à gauche) et les nébuleuses planétaires (à droite) sont deux façons pour les étoiles de traiter les éléments lourds brûlés éjectés dans l'espace interstellaire et de générer la prochaine génération d'étoiles et la planète. Les toutes premières étoiles pures auraient dû apparaître avant que les supernovaes, les nébuleuses planétaires ou les fusions d'étoiles à neutrons aient pollué l'espace interstellaire avec des éléments lourds. La détection de l'oxygène dans une galaxie ultra-lointaine et sa luminosité nous indiquent qu'elle a déjà des centaines de millions d'années.

Les signes indubitables de la présence d'oxygène et de la luminosité observée de la galaxie, ainsi que les signes d'hydrogène qui ont aidé à déterminer avec précision la distance à celle-ci, ont été observés grâce à une combinaison de quatre observatoires éloignés: ALMA , ESO VLT , Hubble et Spitzer . La luminosité indique que les étoiles de la galaxie se forment depuis un certain temps, car il faut du temps pour développer des étoiles pour atteindre le niveau observé. Cela nous permet de dessiner une aube cosmique pour cette galaxie, correspondant à ce que nous savons: les premières étoiles qui ont formé cette galaxie sont apparues 250 millions d'années après le Big Bang.


Toute l'histoire de l'espace est théoriquement bien connue, mais uniquement sur le plan qualitatif. Ce n'est qu'en confirmant et en découvrant les différentes étapes du passé de notre Univers à l'aide d'observations, par exemple, la formation des premières étoiles et galaxies, que nous pourrons vraiment comprendre notre univers. Le Big Bang fixe une limite fondamentale à la distance que nous pouvons voir dans n'importe quelle direction.

C'est une autre étape dans des profondeurs cosmiques jusqu'alors inconnues. Nous n'avons jamais vu de galaxie aussi éloignée avec une population stellaire confirmée d'étoiles adultes. Selon Richard Ellis , co-auteur de l'étude:

Déterminer l'heure du début de l'aube de l'espace est le Saint Graal de la cosmologie et de la formation des galaxies. Dans le cas du MACS1149-JD1, nous avons pu sonder l'histoire au-delà de ce que nous pouvons voir avec l'équipement actuel. L'optimisme a été rétabli que nous nous rapprochons de plus en plus de l'observation directe de l'origine de la lumière des étoiles. Puisque nous sommes tous constitués d'étoiles recyclées, nous parlons de trouver nos vraies sources.


Les premières étoiles et galaxies de l'Univers étaient entourées d'atomes neutres, principalement de l'hydrogène gazeux, absorbant la lumière des étoiles. Nous ne pouvons pas encore observer directement ces premières étoiles, mais nous pouvons observer ce qui se passe après une certaine période d'évolution cosmique, ce qui nous permet de supposer qu'un grand nombre d'étoiles se sont formées.

Pour la première fois, nous pouvons supposer avec succès que les galaxies existaient des centaines de millions d'années plus tôt que nous ne pouvons le voir directement. Nous sommes plus que jamais proches d'une réponse à la question de savoir quand les premières étoiles et galaxies sont apparues dans l'obscurité du premier Univers. Et lorsque le télescope James Webb sera lancé en 2020, nous saurons exactement à quoi s'attendre lors de la recherche de réponses à l'une des plus grandes questions sur l'espace.