Des astronomes utilisant le télescope Webb ont découvert des molécules organiques complexes semblables à de la fumée ou du smog dans la galaxie lointaine illustrée ici. Cette galaxie, située à plus de 12 milliards d’années-lumière, est presque parfaitement alignée avec une seconde galaxie située à seulement trois milliards d’années-lumière de notre point de vue sur Terre. Sur cette image Webb en fausses couleurs, la galaxie d’avant-plan est représentée en bleu, tandis que la galaxie d’arrière-plan est en rouge. Les molécules organiques sont surlignées en orange. Crédit : J. Spilker / S. Doyle, NASA, ESA, CSA
Le télescope spatial James Webb a facilité la découverte de molécules organiques complexes dans une galaxie lointaine, marquant l’occurrence la plus lointaine connue de ces molécules et fournissant des informations importantes sur la chimie de l’univers primitif.
Des chercheurs ont détecté des molécules organiques complexes dans une galaxie située à plus de 12 milliards d’années-lumière de la Terre – la galaxie la plus éloignée dans laquelle ces molécules sont actuellement connues. Grâce aux capacités du télescope spatial James Webb récemment lancé et aux analyses minutieuses de l’équipe de recherche, une nouvelle étude apporte un éclairage essentiel sur les interactions chimiques complexes qui se produisent dans les premières galaxies de l’univers primitif.
Joaquin Vieira, professeur d’astronomie et de physique à l’université de l’Illinois Urbana-Champaign, et Kedar Phadke, étudiant diplômé, ont collaboré avec des chercheurs de l’université Texas A&M et une équipe internationale de scientifiques pour différencier les signaux infrarouges générés par certains des grains de poussière les plus massifs et les plus grands de la galaxie et ceux des molécules d’hydrocarbures nouvellement observées.
Les résultats de l’étude ont été publiés le 5 juin dans la revue Nature.
« Ce projet a débuté lorsque j’étais en études supérieures et que j’étudiais les galaxies très lointaines difficiles à détecter et obscurcies par la poussière », a déclaré M. Vieira. « Les grains de poussière absorbent et réémettent environ la moitié du rayonnement stellaire produit dans l’univers, ce qui rend la lumière infrarouge des objets lointains extrêmement faible ou indétectable par les télescopes terrestres. »
La galaxie observée par Webb présente un anneau d’Einstein causé par un phénomène connu sous le nom de lentille, qui se produit lorsque deux galaxies sont presque parfaitement alignées de notre point de vue sur Terre. Sous l’effet de la gravité de la galaxie de premier plan, la lumière de la galaxie d’arrière-plan est déformée et grossie, comme si l’on regardait à travers le pied d’un verre à vin. Le grossissement permet aux astronomes d’étudier des galaxies très éloignées avec plus de détails qu’ils ne pourraient le faire autrement. Source : S. Doyle / J. Spilker
Dans cette nouvelle étude, le JWST a bénéficié de ce que les chercheurs appellent « la loupe de la nature », un phénomène appelé « lentille gravitationnelle ». « Ce grossissement se produit lorsque deux galaxies sont presque parfaitement alignées du point de vue de la Terre et que la lumière de la galaxie d’arrière-plan est déformée et grossie par la galaxie d’avant-plan sous la forme d’un anneau, connu sous le nom d’anneau d’Einstein », a déclaré M. Vieira.
L’équipe a focalisé le JWST sur SPT0418-47, un objet découvert grâce au télescope du pôle Sud de la National Science Foundation et précédemment identifié comme une galaxie obscurcie par la poussière et agrandie d’un facteur de 30 à 35 par l’effet de lentille gravitationnelle. SPT0418-47 se trouve à 12 milliards d’années-lumière de la Terre, ce qui correspond à une époque où l’univers avait moins de 1,5 milliard d’années, soit environ 10 % de son âge actuel, selon les chercheurs.
« Avant d’avoir accès à la puissance combinée de la lentille gravitationnelle et du JWST, nous ne pouvions ni voir ni résoudre dans l’espace la galaxie d’arrière-plan réelle à travers toute la poussière », a déclaré M. Vieira.
Lily Kettler, étudiante en licence, à gauche, Joaquin Vieira, professeur, et Kedar Phadke, étudiant diplômé, font partie d’une équipe internationale qui a détecté des molécules organiques complexes dans une galaxie située à plus de 12 milliards d’années-lumière de la Terre – la galaxie la plus lointaine dans laquelle ces molécules sont actuellement connues. Crédit : Fred Zwicky
Les données spectroscopiques du JWST suggèrent que le gaz interstellaire obscurci dans SPT0418-47 est enrichi en éléments lourds, ce qui indique que des générations d’étoiles ont déjà vécu et sont mortes. Le composé spécifique détecté par les chercheurs est un type de molécule appelé hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP). Sur Terre, ces molécules se trouvent dans les gaz d’échappement des moteurs à combustion ou dans les incendies de forêt. Composées de chaînes de carbone, ces molécules organiques sont considérées comme les éléments de base des premières formes de vie, selon les chercheurs.
« Ce que cette recherche nous apprend aujourd’hui – et nous continuons à apprendre – c’est que nous pouvons voir toutes les régions où se trouvent ces petits grains de poussière – des régions que nous n’aurions jamais pu voir avant le JWST », a déclaré Phadke. « Les nouvelles données spectroscopiques nous permettent d’observer la composition atomique et moléculaire de la galaxie, ce qui fournit des informations très importantes sur la formation des galaxies, leur cycle de vie et leur évolution.
« Nous ne nous attendions pas à cela », a déclaré M. Vieira. « La détection de ces molécules organiques complexes à une distance aussi grande change la donne pour les observations futures. Ce travail n’est qu’une première étape, et nous commençons tout juste à apprendre à l’utiliser et à connaître ses capacités. Nous sommes très enthousiastes à l’idée de voir ce que cela va donner.
« Il est extrêmement intéressant de savoir que les galaxies que j’ai découvertes en rédigeant ma thèse pourront un jour être observées par le JWST », a déclaré M. Vieira. « Je suis reconnaissant aux contribuables américains, à la NSF et à la NASA d’avoir financé et soutenu le SPT et le JWST. Sans ces instruments, cette découverte n’aurait jamais pu être faite ».
Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Le télescope James Webb découvre des molécules organiques dans une galaxie lointaine.
Référence : « Spatial variations in aromatic hydrocarbon emission in a dust-rich galaxy » par Justin S. Spilker, Kedar A. Phadke, Manuel Aravena, Melanie Archipley, Matthew B. Bayliss, Jack E. Birkin, Matthieu Béthermin, James Burgoyne, Jared Cathey, Scott C. Chapman, Håkon Dahle, Anthony H. Gonzalez, Gayathri Gururajan, Christopher C. Hayward, Yashar D. Hezaveh, Ryley Hill, Taylor A. Hutchison, Keunho J. Kim, Seonwoo Kim, David Law, Ronan Legin, Matthew A. Malkan, Daniel P. Marrone, Eric J. Murphy, Desika Narayanan, Alex Navarre, Grace M. Olivier, Jeffrey A. Rich, Jane R. Rigby, Cassie Reuter, James E. Rhoads, Keren Sharon, J. D. T. Smith, Manuel Solimano, Nikolaus Sulzenauer, Joaquin D. Vieira, David Vizgan, Axel Weiß et Katherine E. Whitaker, 5 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05998-6
Vieira est également directeur du Center for AstroPhysical Surveys, financé par le National Center for Supercomputing Applications de l’Illinois. Phadke est boursier du CAPS.
Le Space Telescope Science Institute exploite le JWST sous la direction de l’Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. dans le cadre du contrat NASA 5-03127.