JADES-GS-z14-0 : la galaxie la plus lointaine jamais observée (jusqu'à aujourd'hui)

Elle est nommée JADES-GS-z14-0, c’est aujourd’hui la galaxie la plus lointaine jamais observée, son redshift vient d’être confirmé avec le télescope Webb, il vaut 14,3, ce qui correspond à une époque située 290 millions d’années après le Big Bang. La découverte est publiée dans Nature.

En octobre 2023 et janvier 2024, une équipe d'astronomes a utilisé le télescope spatial James Webb pour observer des galaxies dans le cadre du programme JADES (Advanced Deep Extragalactic Survey) du JWST, et plus précisément en utilisant le spectrographe NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph)

Stefano Carniani (Scuola Normale Superiore, Italie), et ses collaborateurs précisent que la taille de la zone imagée est de plus de 1 600 années-lumière de diamètre, ce qui prouve que la lumière provient principalement de jeunes étoiles et non d'émissions à proximité d'un trou noir supermassif en croissance. Et cette galaxie est très lumineuse, déjà… Une telle quantité de lumière implique que la galaxie a une masse de plusieurs centaines de millions de masses solaires.

 Et l'analyse des données de l’imageur MIRI indique que la luminosité de la source impliquée est supérieure à ce qui serait extrapolé à partir des mesures effectuées par les autres instruments de Webb, ce qui indique la présence d'une forte émission de gaz ionisé dans la galaxie sous la forme de raies d'émission brillantes de l'hydrogène et de l'oxygène. La présence d'oxygène si tôt dans la vie de cette galaxie est une surprise et suggère que de multiples générations d'étoiles très massives ont déjà vécu dans JADES-GS-z14-0.

Toutes ces observations indiquent que JADES-GS-z14-0 ne ressemble pas aux types de galaxies dont les modèles théoriques et les simulations prédisent l'existence au tout début de l'Univers. La découverte par le télescope Webb d'une abondance de galaxies lumineuses au tout début de l'Univers suggère donc que les galaxies se sont développées rapidement, en contradiction apparente avec de nombreux modèles standards. Jusqu’à aujourd’hui, la plupart de ces galaxies n’avaient pas de confirmation spectroscopique de leur distance, leurs distances sont donc incertaines. Mais pour JADES-GS-z14-0, c’est différent, puisque son redshift a été mesuré très précisément à z = 14,32 (+0,08/-0,20).

Et durant la même campagne d’observations, Carniani et ses collaborateurs ont déniché une autre galaxie lumineuse du même genre presque à la même distance, elle aussi avec un redshift mesuré très précisément, qui vaut z = 13,90 ± 0,17. Elle est dénommée  JADES-GS-z14-1. Les spectres des deux galaxies révèlent des continuums ultraviolets avec des ruptures Lyman-α proéminentes mais aucune raie d'émission n’est détectée. Cette découverte prouve que les galaxies lumineuses étaient déjà en place 300 millions d'années après le Big Bang et qu'elles sont plus fréquentes que ce qui était attendu.

JADES-GS-z14-0 est étonnamment lumineuse et est résolue spatialement avec un rayon de 260 pc. En considérant également la forte pente dans l'ultraviolet de la seconde galaxie, les chercheurs concluent que les deux galaxies sont dominées par l'émission de continuum stellaire, et non par l’émission d’un noyau actif galactique. Cela montre que l'excès de galaxies lumineuses visibles dans l'Univers jeune ne peut pas être entièrement expliqué par l'accrétion sur des trous noirs supermassifs. La luminosité de leurs étoiles compte pour beaucoup.

Les chercheurs précisent que pour cette galaxie, l'analyse n'est quand même pas suffisante pour exclure la présence d'un AGN lumineux, mais la pente UV déduite de -2,71 suggère fortement que la lumière est principalement émise par les étoiles, parce que la pente attendue pour l'émission d'un disque d'accrétion d'AGN est, en moyenne, de l'ordre de -2,3 ou moins, et il n'y a pas de mécanismes qui est capable de reproduire un profil plus raide sans invoquer une forte contribution de l'émission d'une population d’étoiles jeunes (< 50 mégannées).

Les modèles de distributions spectrales les mieux ajustés pour ces deux galaxies indiquent un rougissement modeste mais non nul dû à la poussière. Ces résultats sont en accord avec les modèles récents proposés pour expliquer la présence de galaxies lumineuses telles que telles que JADES-GS-z14-0 et JADES-GS-z14-1 à des époques précoces Ces modèles prévoient que les galaxies à z > 10 ont un contenu en poussière dans le milieu interstellaire qui est plus faible que les galaxies de même masse situées à des redshifts inférieurs, malgré la rapidité de l'évolution du milieu interstellaire (∼ 10 Mégannées) par les supernovas. En effet, si ces galaxies massives à z ∼ 14 avaient un rapport stellaire/poussière d'environ 0,002, similaire à ceux observés dans les galaxies à z ∼ 6, l'atténuation de la poussière serait au moins 4 fois plus importante que ce qui est observé, en raison de leur taille UV compacte.

L'atténuation modérée des poussières dans ces galaxies peut s'expliquer par différents scénarios selon les chercheurs : soit une grande quantité de poussière distribuée sur de grandes échelles en raison des écoulements galactiques, réduisant l'atténuation de la poussière observée, soit une composition différente de la poussière et donc un coefficient d'absorption différent, ou bien un taux élevé de destruction des grains de poussière préexistants en raison des ondes de choc générées par les explosions de supernovas

Indépendamment des scénarios proposés, les observations indiquent en tous cas que les propriétés des galaxies semblent changer rapidement en seulement 600 mégannées, c'est-à-dire de z = 14 (300 mégannées après la singularité) à z = 6 (900 mégannées après le Big Bang).

En conclusion, les observations spectroscopiques de JADES-GS-z14-0 et de JADES-GS-z14-1 confirment que des galaxies brillantes et massives existaient déjà 300 millions d’années après le Big Bang, et que leur nombre est plus de dix fois plus élevé que les extrapolations basées sur les observations antérieures au télescope Webb. La morphologie et l'analyse de la pente UV permettent d'exclure une contribution significative de l'AGN pour l'une ou l'autre galaxie. D'autres explications potentielles, telles que le contenu en poussière, les processus de formation d'étoiles, et une nouvelle fonction de masse initiale (lourde au sommet), doivent être étudiées pour expliquer l'excès de galaxies lumineuses dans l'Univers jeune.

Dans le contexte des observations futures, Carniani et ses collaborateurs soulignent que JADES-GS-z14-0 est étonnamment et remarquablement lumineuse, et que la confirmation spectroscopique de cette source implique l'existence de nombreuses galaxies similaires - en particulier si l'on considère la relativement petite surface du relevé JADES. Les galaxies de ce type sont suffisamment lumineuses pour faire l'objet d'un suivi avec ALMA et MIRI, ce qui promet d'ouvrir la vue sur l'aube cosmique, la période où les premières galaxies sont nées. Et désormais, les modèles de formation des galaxies devront prendre en compte l'existence de galaxies aussi grandes et lumineuses si tôt dans l'histoire cosmique.

Source

Spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at a redshift of 14

Stefano Carniani et al.

Nature (29 july 2024)

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9

Illustrations

1. JADES-GS-z14-0  imagée par le télescope Webb (NASA)

2. Distribution des galaxies les plus lointaines (luminosité en fonction de l'âge de l'univers (ou du redshift) (Stefano Carniani et al.)

3. Stefano Carniani