Ce jour-là, il y a trois ans, nous avons assisté au lancement fracassant du télescope spatial James Webb (JWST), le télescope le plus grand et le plus puissant jamais envoyé dans l'espace.
Sa construction a pris 30 ans, mais en trois petites années d'exploitation, JWST a déjà révolutionné notre vision du cosmos.
Il a exploré notre propre système solaire, étudié les atmosphères de planètes lointaines à la recherche de signes de vie et sondé les profondeurs les plus lointaines pour trouver les toutes premières étoiles et galaxies formées dans l'univers.
Voici ce que JWST nous a appris sur les débuts de l'univers depuis son lancement – et les nouveaux mystères qu'il a découverts.
Monstres bleus étranges
JWST a repoussé les limites de la portée de nos recherches dans l'univers pour trouver les premières étoiles et galaxies. L'atmosphère terrestre étant à l'écart, son emplacement dans l'espace crée des conditions parfaites pour scruter les profondeurs du cosmos avec la lumière infrarouge.
Le record actuel de la galaxie la plus lointaine, confirmé par JWST, remonte à une époque où l'univers n'avait qu'environ 300 millions d'années. Étonnamment, dans ce court laps de temps, cette galaxie a réussi à former environ 400 millions de fois la masse de notre Soleil.
Cela indique que la formation d’étoiles au début de l’univers était extrêmement efficace. Et cette galaxie n’est pas la seule.
Lorsque les galaxies grandissent, leurs étoiles explosent, créant de la poussière. Plus la galaxie est grande, plus elle contient de poussière. Cette poussière fait apparaître les galaxies en rouge car elle absorbe la lumière bleue. Mais voici le hic : JWST a montré que ces premières galaxies étaient incroyablement brillantes, massives et très bleues, sans aucun signe de poussière. C'est un vrai casse-tête.
Il existe de nombreuses théories pour expliquer la nature étrange de ces premières galaxies. Ont-ils d'énormes étoiles qui s'effondrent simplement à cause de la gravité sans subir d'explosions massives de supernova ?
Ou ont-ils des explosions si importantes que toute la poussière est repoussée loin de la galaxie, exposant un noyau bleu et sans poussière ? Peut-être que la poussière est détruite à cause du rayonnement intense de ces premières étoiles exotiques – nous ne le savons pas encore.
Vue d'artiste de ce à quoi ressemblerait une galaxie bleue dans l'univers primitif. ESO/M. Kornmesser.
Chimie inhabituelle dans les premières galaxies
Les premières étoiles ont été les éléments clés de ce qui est finalement devenu la vie. L’univers a commencé avec seulement de l’hydrogène, de l’hélium et une petite quantité de lithium. Tous les autres éléments, du calcium de nos os à l’oxygène de l’air que nous respirons, ont été forgés dans le noyau de ces étoiles.
JWST a découvert que les premières galaxies présentent également des caractéristiques chimiques inhabituelles.
Ils contiennent une quantité importante d’azote, bien plus que ce que nous observons dans notre Soleil, tandis que la plupart des autres métaux sont présents en quantités moindres. Cela suggère qu'il y avait des processus en jeu dans l'univers primitif que nous ne comprenons pas encore complètement.
JWST a montré que nos modèles sur la manière dont les étoiles déterminent l’évolution chimique des galaxies sont encore incomplets, ce qui signifie que nous ne comprenons toujours pas pleinement les conditions qui ont conduit à notre existence.
Différents éléments chimiques observés dans l'une des premières galaxies de l'univers découvertes par JWST. Adapté de Castellano et al., 2024 The Astrophysical Journal ; Les équipes JWST-GLASS et UNCOVER
De petites choses qui ont mis fin aux ténèbres cosmiques
Utilisant des amas massifs de galaxies comme de gigantesques loupes, les caméras sensibles de JWST peuvent également scruter les profondeurs du cosmos pour trouver les galaxies les plus faibles.
Nous avons poussé plus loin pour trouver le point auquel les galaxies deviennent si faibles qu’elles cessent complètement de former des étoiles. Cela nous aide à comprendre les conditions dans lesquelles la formation des galaxies prend fin.
JWST n'a pas encore trouvé cette limite. Cependant, elle a découvert de nombreuses galaxies faibles, bien plus que prévu, émettant plus de quatre fois les photons énergétiques (particules lumineuses) auxquels nous nous attendions.
Cette découverte suggère que ces petites galaxies pourraient avoir joué un rôle crucial dans la fin des « âges sombres » cosmiques peu de temps après le Big Bang.
Les rectangles mettent en évidence les ouvertures du réseau de spectrographes proche infrarouge du JWST, à travers lequel la lumière a été capturée et analysée pour percer les mystères de la composition chimique des galaxies. Atek et al., 2024, Nature
Le cas mystérieux des petits points rouges
Les toutes premières images de JWST ont donné lieu à une autre découverte dramatique et inattendue. L’univers primitif est habité par une abondance de « petits points rouges » : des sources de couleur rouge extrêmement compactes et d’origine inconnue.
Initialement, on pensait qu'il s'agissait de galaxies massives et ultra-denses, ce qui ne devrait pas être possible, mais des observations détaillées au cours de l'année écoulée ont révélé une combinaison de propriétés profondément déroutantes et contradictoires.
L'hydrogène gazeux brillant émet de la lumière à des vitesses énormes, des milliers de kilomètres par seconde, caractéristique du gaz tourbillonnant autour d'un trou noir supermassif.
Ce phénomène, appelé noyau galactique actif, indique généralement une frénésie alimentaire dans laquelle un trou noir supermassif engloutit tout le gaz qui l’entoure et se développe rapidement.
Mais ce ne sont pas des noyaux galactiques actifs de votre variété de jardin. Pour commencer : ils n’émettent aucun rayon X détectable, comme on s’y attend normalement. Plus intrigant encore, ils semblent avoir les caractéristiques des populations stellaires.
Ces galaxies pourraient-elles être à la fois des étoiles et des noyaux galactiques actifs ? Ou une étape évolutive entre les deux ? Quoi qu’il en soit, les petits points rouges vont probablement nous apprendre quelque chose sur la naissance des trous noirs supermassifs et des étoiles dans les galaxies.
En arrière-plan, l'image JWST du cluster Pandora (Abell 2744) est affichée, avec un petit point rouge surligné dans un encart bleu. L'encart au premier plan à gauche présente un montage de plusieurs petits points rouges découverts par JWST. Adapté de Furtak et al., et Matthee et al., The Astrophysical Journal, 2023-2024 ; Les équipes JWST-GLASS et UNCOVER
Les galaxies incroyablement anciennes
En plus des premières galaxies extrêmement vivantes, JWST a également découvert des cadavres extrêmement morts : des galaxies de l'univers primitif qui sont des reliques d'une intense formation d'étoiles à l'aube cosmique.
Ces cadavres avaient été retrouvés par Hubble et des télescopes au sol, mais seul JWST avait le pouvoir de disséquer leur lumière pour révéler depuis combien de temps ils étaient morts.
Elle a permis de découvrir des galaxies extrêmement massives (aussi massives que notre Voie lactée aujourd'hui et plus encore) qui se sont formées au cours des 700 premiers millions d'années de l'histoire cosmique. Nos modèles actuels de formation de galaxies ne peuvent pas expliquer ces objets : ils sont trop gros et se sont formés trop tôt.
Les cosmologues se demandent encore si les modèles peuvent être modifiés pour s'adapter (par exemple, la formation précoce d'étoiles a été extrêmement efficace) ou si nous devons reconsidérer la nature de la matière noire et la manière dont elle donne lieu aux premiers effondrements d'objets.
JWST découvrira beaucoup plus de ces objets au cours de l'année prochaine et étudiera plus en détail ceux qui existent déjà. Quoi qu’il en soit, nous le saurons bientôt.
Quelle est la prochaine étape pour JWST ?
Dès ses premiers pas, le télescope a révélé de nombreuses lacunes de nos modèles actuels de l’univers. Alors que nous affinons nos modèles pour tenir compte des mises à jour que JWST nous a apportées, nous sommes très enthousiasmés par les inconnues inconnues.
Les mystérieux points rouges se cachaient de notre vue. Qu’y a-t-il d’autre dans les profondeurs du cosmos ? JWST nous le dira bientôt. 
Themiya Nanayakkara, scientifique au centre de données australien James Webb, Université de technologie de Swinburne; Ivo Labbe, ARC Future Fellow / Professeur agrégé, Université de technologie de Swinburneet Karl Glazebrook, lauréat de l'ARC et professeur émérite, Centre d'astrophysique et de calcul intensif, Université de technologie de Swinburne
