Le télescope spatial James Webb détecte les galaxies les plus lointaines

JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)

L’étude extragalactique avancée en profondeur (JADES) de JWST s’est concentrée sur la région dans et autour du champ ultra-profond du télescope spatial Hubble. À l’aide de l’instrument NIRCam de Webb, les scientifiques ont observé le champ dans neuf gammes de longueurs d’onde infrarouges différentes. À partir de ces images (affichées à gauche), l’équipe a recherché des galaxies faibles visibles dans l’infrarouge mais dont les spectres se brisent brusquement à une longueur d’onde critique connue sous le nom de fracture de Lyman. L’instrument Webb NIRSpec a ensuite fourni une mesure précise du décalage vers le rouge pour chaque galaxie (illustrée à droite). Quatre des galaxies étudiées sont particulièrement spéciales, car elles se sont révélées être dans une ère sans précédent. Ces galaxies remontent à moins de 400 millions d’années après le Big Bang, alors que l’univers n’avait que 2 % de son âge actuel. Dans l’image d’arrière-plan, le bleu représente la lumière à 1,15 microns (115 W), le vert à 2,0 microns (200 W) et le rouge à 4,44 microns (444 W). Dans les images découpées, le bleu est un mélange de 0,9 et 1,15 microns (090W + 115W), le vert est de 1,5 microns (150W + 200W) et le rouge est de 2,0, 2,77 et 4,44 microns (200W + 277W + 444W). Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, M. Zamani (ESA/Webb) et L. Hustak (STScI). Sciences : B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore) et JADES Collaboration

Les astronomes rapportent les galaxies connues les plus éloignées, qui ont été découvertes et confirmées par JWST.

Une équipe internationale d’astronomes a découvert les galaxies les plus anciennes et les plus éloignées confirmées à ce jour à l’aide des données du télescope spatial James Webb (JWST). Le télescope a capturé la lumière émise par ces galaxies il y a plus de 13,4 milliards d’années, ce qui signifie que les galaxies remontent à moins de 400 millions d’années après le Big Bang, alors que l’univers n’avait que 2 % de son âge actuel.

Les observations initiales du JWST ont donné plusieurs galaxies candidates à de grandes distances, tout comme les observations précédentes avec le télescope spatial Hubble. Maintenant, quatre de ces cibles ont été confirmées par de longues observations spectroscopiques obtenues, qui non seulement fournissent des mesures sûres de leurs distances, mais permettent également aux astronomes de caractériser les propriétés physiques des galaxies.

« Nous avons découvert des galaxies à des époques incroyablement précoces dans l’univers lointain », a déclaré Brant Robertson, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’Université de Californie à Santa Cruz. « Avec JWST, pour la première fois, nous pouvons maintenant trouver des galaxies aussi éloignées, puis confirmer par spectroscopie qu’elles sont vraiment loin. »

Les astronomes mesurent la distance à une galaxie en déterminant son redshift. En raison de l’expansion de l’univers, les objets éloignés semblent s’éloigner de nous et leur lumière est étirée à des longueurs d’onde plus longues et plus rouges par l’effet Doppler. Les techniques photométriques basées sur des images capturées à travers divers filtres peuvent fournir des estimations de décalage vers le rouge, mais les mesures finales nécessitent une spectroscopie, qui sépare la lumière d’un objet en longueurs d’onde composantes.

Qu'est-ce que le redshift cosmique ?

(Cliquez sur l’image pour voir le graphique complet.) L’univers est en expansion, et cette expansion est une lumière en expansion qui voyage à travers l’espace dans un phénomène connu sous le nom de redshift cosmique. Plus le redshift est grand, plus la distance parcourue par la lumière est grande. En conséquence, des télescopes avec des détecteurs infrarouges sont nécessaires pour voir la lumière des premières et des plus lointaines galaxies. Crédit : NASA, ESA et L. Hustak (STSci)

Les nouveaux résultats portent sur quatre galaxies avec un décalage vers le rouge supérieur à 10. Deux galaxies initialement observées par Hubble ont confirmé des décalages vers le rouge de 10,38 et 11,58. Les deux galaxies les plus éloignées, toutes deux détectées dans les images JWST, ont des décalages vers le rouge de 13,20 et 12,63, ce qui en fait les galaxies les plus éloignées confirmées par spectroscopie à ce jour. Un redshift de 13,2 correspond à environ 13,5 milliards d’années.

« Ceux-ci sont beaucoup plus éloignés que nous n’aurions jamais imaginé qu’ils auraient été découverts avant le JWST », a déclaré Robertson. Au redshift 13, l’univers n’a que 325 millions d’années.

Robertson et Emma Curtis Lake de l’Université de Hertfordshire (Royaume-Uni) sont les auteurs principaux de deux articles sur les résultats qui n’ont pas encore été soumis au processus d’examen par les pairs (voir les liens ci-dessous).

Les observations résultent d’une collaboration de scientifiques qui ont dirigé le développement de deux des instruments embarqués de Webb, la caméra proche infrarouge (NIRCam) et le spectroradiomètre proche infrarouge (NIRSpec). La recherche de galaxies plus faibles et plus anciennes a été le principal moteur des concepts de ces instruments. En 2015, les équipes d’instruments se sont réunies pour proposer le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), un programme ambitieux qui a pris un peu plus d’un mois de temps de télescope et est conçu pour fournir une vue de l’univers primitif sans précédent en profondeur. et détails. JADES est une collaboration internationale de plus de quatre-vingts astronomes de dix pays.

« Ces résultats sont l’aboutissement de la raison pour laquelle l’équipe NIRCam et NIRSpec se sont réunis pour mettre en œuvre ce programme de surveillance », a déclaré Marcia Rieke, chercheuse principale pour NIRCam à l’Université de l’Arizona.

Le programme JADES a commencé avec NIRCam, utilisant plus de 10 jours de temps de mission pour observer une petite parcelle de ciel dans et autour du champ ultra-profond de Hubble. Les astronomes étudient cette région depuis plus de 20 ans en utilisant presque tous les grands télescopes. L’équipe de JADES a observé le champ dans neuf gammes différentes de longueurs d’onde infrarouges, capturant des images remarquables qui révèlent près de 100 000 galaxies distantes, à des milliards d’années-lumière chacune.

L’équipe a ensuite utilisé le spectromètre NIRSpec pendant une période d’observation de trois jours pour collecter la lumière de 250 galaxies peu lumineuses. Cela a donné des mesures précises du décalage vers le rouge et a révélé les propriétés du gaz et des étoiles dans ces galaxies.

« Avec ces mesures, nous pouvons apprendre la luminosité intrinsèque des galaxies et découvrir combien d’étoiles elles ont », a déclaré Robertson. « Maintenant, nous pouvons vraiment commencer à cartographier la façon dont les galaxies se rejoignent au fil du temps. »

Le co-auteur Sandro Tequila de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni a ajouté : « Il est difficile de comprendre les galaxies sans comprendre les périodes initiales de leur évolution. Comme pour les humains, une grande partie de ce qui se passe plus tard dépend de l’influence de ces premières générations d’étoiles ». De nombreuses questions sur les galaxies attendent l’opportunité de transformation.  » Webb, et nous sommes ravis de pouvoir jouer un rôle dans la révélation de cette histoire. « 

Selon Robertson, la formation d’étoiles dans ces premières galaxies aurait commencé environ 100 millions d’années avant l’âge auquel elles ont été observées, poussant la formation des premières étoiles à environ 225 millions d’années après.[{ » attribute= » »>Big Bang.

“We are seeing evidence of star formation about as early as we could expect based on our models of galaxy formation,” he said.

Other teams have identified candidate galaxies at even higher redshifts based on photometric analyses of JWST images, but these have yet to be confirmed by spectroscopy. JADES will continue in 2023 with a detailed study of another field, this one centered on the iconic Hubble Deep Field, and then a return to the Ultra Deep Field for another round of deep imaging and spectroscopy. Many more candidates in the field await spectroscopic investigation, with hundreds of hours of additional time already approved.

For more on this research, see NASA’s Webb Space Telescope Discovers Earliest Galaxies in the Universe.

References:

“Discovery and properties of the earliest galaxies with confirmed distances” by B. E. Robertson, S. Tacchella, B. D. Johnson, K. Hainline, L. Whitler, D. J. Eisenstein, R. Endsley, M. Rieke, D. P. Stark, S. Alberts, A. Dressler, E. Egami, R. Hausen, G. Rieke, I. Shivaei, C. C. Williams, C. N. A. Willmer, S. Arribas g, N. Bonaventura, A. Bunker, A. J. Cameron, S. Carniani, S. Charlot, J. Chevallard, M. Curti, E. Curtis-Lake, F. D’Eugenio, P. Jakobsen, T. J. Looser, N. Lützgendorf, R. Maiolino, M. V. Maseda, T. Rawle, H.-W. Rix, R. Smit, H. Übler, C. Willott, J. Witstok, S. Baum, R. Bhatawdekar, K. Boyett, Z. Chen, A. de Graaff, M. Florian, J. M. Helton, R. E. Hviding, Z. Ji, N. Kumari, J. Lyu, E. Nelson, L. Sandles, A. Saxena, K. A. Suess, F. Sun, M. Topping and I. E. B. Wallace, 17 November 2022, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.
arXiv:2212.04480

“Spectroscopic confirmation of four metal-poor galaxies at z=10.3-13.2” by Emma Curtis-Lake, Stefano Carniani, Alex Cameron, Stephane Charlot, Peter Jakobsen, Roberto Maiolino, Andrew Bunker, Joris Witstok, Renske Smit, Jacopo Chevallard, Chris Willott, Pierre Ferruit, Santiago Arribas, Nina Bonaventura, Mirko Curti, Francesco D’Eugenio, Marijn Franx, Giovanna Giardino, Tobias J. Looser, Nora Lützgendorf, Michael V. Maseda, Tim Rawle, Hans-Walter Rix, Bruno Rodriguez del Pino, Hannah Übler, Marco Sirianni, Alan Dressler, Eiichi Egami, Daniel J. Eisenstein, Ryan Endsley, Kevin Hainline, Ryan Hausen, Benjamin D. Johnson, Marcia Rieke, Brant Robertson, Irene Shivaei, Daniel P. Stark, Sandro Tacchella, Christina C. Williams, Christopher N. A. Willmer, Rachana Bhatawdekar, Rebecca Bowler, Kristan Boyett, Zuyi Chen, Anna de Graaff, Jakob M. Helton, Raphael E. Hviding, Gareth C. Jones, Nimisha Kumari, Jianwei Lyu, Erica Nelson, Michele Perna, Lester Sandles, Aayush Saxena, Katherine A. Suess, Fengwu Sun, Michael W. Topping, Imaan E. B. Wallace and Lily Whitler, 8 December 2022, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.
arXiv:2212.04568

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