En regardant loin, on peut remonter le temps. Ce fait simple mais hallucinant permet aux astronomes d’observer des instantanés de l’univers à différents moments, en les utilisant pour reconstituer l’histoire complexe de l’évolution cosmique. Avec chaque nouveau télescope que nous construisons, nous pouvons voir plus loin et plus tôt dans l'histoire de l'univers. Le télescope spatial James Webb (JWST) espère pouvoir remonter jusqu'à la formation des premières galaxies.
Contenu connexe
- Rencontrez le successeur de Hubble qui regardera à travers le temps
L'idée que regarder en arrière correspond à regarder en arrière est relativement jeune. Cela vient de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, qui affirme, entre autres choses, que la lumière se déplace à la vitesse de la lumière et que rien ne se déplace plus vite que cela. Au quotidien, nous n’avons presque jamais les conséquences de ce concept, car la vitesse de la lumière est si grande (300 000 km / s, soit environ un million de fois plus rapide qu’un avion à réaction), ce «temps de trajet» importe peu. Si nous allumons la lumière ou si quelqu'un nous envoie un courrier électronique en provenance d'Europe, nous percevons ces événements (nous voyons l'ampoule s'allumer ou nous recevons le courrier électronique) comme instantanés, car la lumière ne prend qu'une infime fraction de seconde pour parcourir une chambre ou même autour de la Terre entière. Mais sur une échelle astronomique, la finesse de la vitesse de la lumière a de profondes implications.
Le soleil est à environ 150 millions de km, ce qui signifie que la lumière du soleil met environ 8 minutes et 20 secondes à nous parvenir. Quand on regarde le soleil, on voit une image qui a 8 minutes. Andromeda, notre galaxie voisine la plus proche, se trouve à environ 2, 5 millions d'années lumière; Quand nous regardons Andromeda, nous le regardons tel qu'il était il y a 2, 5 millions d'années. Cela peut sembler beaucoup sur les échelles de temps humaines, mais c'est vraiment très court en ce qui concerne les galaxies; notre image "fade" est probablement encore une bonne représentation de la façon dont Andromède ressemble aujourd'hui. Cependant, la vaste étendue de l'univers garantit qu'il existe de nombreux cas pour lesquels le temps de parcours de la lumière est important. Si nous regardons une galaxie à un milliard d'années-lumière, nous la voyons telle qu'elle était il y a un milliard d'années, suffisamment de temps pour qu'une galaxie change radicalement.
Alors, combien de temps en arrière pouvons-nous voir? La réponse à cette question est déterminée par trois facteurs différents. L’un est le fait que l’univers n’a «que» 13, 8 milliards d’années, nous ne pouvons donc pas remonter dans le temps à une époque plus lointaine que le début de l’univers, connu sous le nom de Big Bang. Un autre problème - du moins si nous nous intéressons à des objets astrophysiques tels que les galaxies - est que nous avons besoin de regarder quelque chose. L'univers primordial était une soupe brûlante de particules élémentaires. Il a fallu un certain temps pour que ces particules se refroidissent et se fondent en atomes, étoiles et galaxies. Enfin, même une fois que ces objets étaient en place, les voir de la Terre plusieurs milliards d’années plus tard nécessite des télescopes extrêmement puissants. La luminosité des sources physiques diminue rapidement avec la distance, et essayer de repérer une galaxie à une distance d'un milliard d'années-lumière est aussi difficile que d'essayer de repérer le phare d'une voiture à environ 60 000 milles. Essayer de repérer la même galaxie à une distance de 10 milliards d'années-lumière est 100 fois plus difficile.
Jusqu'à présent, cela a été le facteur déterminant pour limiter la distance aux galaxies les plus éloignées que nous puissions voir. Jusque dans les années 1980, tous nos télescopes étaient basés sur le sol, où l'atmosphère de la Terre et la pollution lumineuse entravaient leurs performances. Néanmoins, nous étions déjà au courant de galaxies distantes de plus de 5 milliards d'années lumière. Le lancement du télescope spatial Hubble en 1990 nous a permis de battre ce record de distance à plusieurs reprises et, au moment où j'écris ces mots, la galaxie la plus reculée connue se situe il y a 13, 4 milliards d'années.
Le JWST utilisera la lumière infrarouge pour étudier toutes les phases de l'histoire cosmique, des premières lueurs lumineuses après le Big Bang à la formation de systèmes stellaires capables de soutenir la vie sur des planètes comme la Terre. (NASA) Cela nous amène à l'un des problèmes clés de l'astronomie moderne: quelles propriétés de ces galaxies lointaines pouvons-nous réellement mesurer? Alors que les observations des galaxies proches montrent leurs formes et leurs couleurs de manière très détaillée, souvent la seule information que nous puissions recueillir sur les galaxies les plus éloignées est leur luminosité globale. Mais en les regardant avec des télescopes sensibles aux fréquences de la lumière au-delà de la plage visible, telles que l'ultraviolet, la radio et l'infrarouge, nous pouvons découvrir des indices sur les populations stellaires de la galaxie, ainsi que sur sa distance.
En observant les galaxies à autant de fréquences différentes que possible, nous pouvons créer un spectre qui montre la luminosité de la galaxie dans chaque type de lumière. Parce que l'univers est en expansion, les ondes électromagnétiques détectées par nos télescopes se sont étirées en cours de route et il se trouve que l'étendue du spectre est proportionnelle à la distance qui nous sépare de la galaxie. Cette relation, appelée loi de Hubble, nous permet de mesurer la distance qui sépare ces galaxies. Les spectres peuvent également révéler d'autres propriétés, telles que la quantité totale de masse dans les étoiles, la vitesse à laquelle la galaxie forme des étoiles et l'âge des populations d'étoiles.
Il y a quelques mois à peine, une équipe d'astronomes américains et européens a utilisé les observations du télescope spatial Hubble et du télescope spatial infrarouge Spitzer pour découvrir la galaxie la plus reculée connue à ce jour, le GN-z11. Observé seulement 400 millions d'années après le Big Bang («quand l'univers ne représentait que 3% de son âge actuel», selon le chercheur principal Pascal Oesch), il possède une masse d'un milliard de soleils combinés, environ 1/25 du nôtre. Voie Lactée.
Le GN-z11 forme des étoiles environ 20 fois plus vite, au rythme remarquable de 25 nouveaux soleils par an. «Il est étonnant qu’une galaxie aussi massive n’existe que 200 à 300 millions d’années après la formation des toutes premières étoiles. Il faut une croissance très rapide, produisant des étoiles à un rythme effréné, pour avoir rapidement formé une galaxie représentant un milliard de masses solaires », explique Garth Illingworth, un autre enquêteur de l'équipe de découverte.
L'existence d'un objet aussi massif à un stade aussi précoce se heurte aux scénarios actuels d'assemblage cosmique, posant de nouveaux défis aux scientifiques qui travaillent à la modélisation de la formation et de l'évolution des galaxies. «Cette nouvelle découverte montre que le télescope Webb (JWST) trouvera sûrement beaucoup de jeunes galaxies de ce type remontant à l'époque où les premières galaxies se formaient», explique Illingworth.
Le lancement de JWST est prévu pour 2018 et il orbitera autour du système Soleil / Terre depuis un emplacement privilégié à 900 000 milles de nous. Comme Hubble, le JWST transportera plusieurs instruments, y compris des caméras puissantes et des spectrographes, mais sa sensibilité sera accrue: son miroir primaire sera presque sept fois plus grand et sa gamme de fréquences s'étendra beaucoup plus loin dans l'infrarouge. La gamme de fréquences différente permettra à JWST de détecter des spectres d'étirement plus élevé, appartenant à des objets plus éloignés. Il aura également la capacité unique de prendre des spectres de 100 objets simultanément. Avec JWST, nous nous attendons à repousser encore plus loin la barrière de distance, à une époque seulement 150 millions après le Big Bang, et à découvrir les toutes premières galaxies jamais formées. JWST nous aidera à comprendre comment les formes des galaxies changent avec le temps et quels facteurs régissent les interactions et les fusions de galaxies.
Mais JWST ne se limitera pas aux galaxies. En scrutant l'univers en lumière infrarouge, nous pourrons voir à travers les épais rideaux de poussière qui enveloppent les étoiles et les planètes naissantes, ouvrant une fenêtre sur la formation d'autres systèmes solaires. En outre, des instruments spéciaux appelés coronographes permettront d’imager des planètes autour d’autres étoiles et, espérons-le, de faire découvrir plusieurs planètes semblables à la Terre et capables d’héberger la vie. Pour tous ceux qui ont déjà regardé le ciel et se sont demandés ce qui se passe, la prochaine décennie sera une période très excitante.
