Le télescope James Webb, véritable machine à remonter le temps

Quand l'Univers était jeune, il y a plus de 13 millards et demi d'années, aucune étoile ne brillait dans les profondeurs du ciel. Nous étions alors en  plein âges sombres, époque où le cosmos était empli d’hélium et d’hydrogène – des gaz qui allaient constituer la matière première de tous les mondes à venir. 

Existait également la mystérieuse matière noire, dont la gravité allait pousser le gaz à se concentrer en structures complexes. Puis, avec l’expansion et le refroidissement ambiant,
une partie de cette matière allait elle-même se concentrer en d’immenses sphères, qui attireraient le gaz. L’augmentation de la pression à l’intérieur de ces halos, comme les astronomes vont les nommer, poussa les atomes d’hydrogène à fusionner, formant ainsi des atomes d’hélium et allumant les premières étoiles de l’Univers primordial. 

Émerveillé, j’observe ces prémices de l’aube cosmique à travers des lunettes 3D. Assis face à un projecteur à l’Institut Kavli d’astrophysique des particules et de cosmologie de l’université Stanford, aux États-Unis, je suis du regard des filaments de matière noire qui forment sur l’image un réseau gris fantomatique entre les halos au fur et à mesure que
l’Univers s’étend. Des maelströms d’étoiles venant de naître s’enroulent en spirales au centre de ces derniers pour former les premières galaxies.

Depuis des décennies, les scientifiques travaillent au récit de l’origine de l’Univers. Mais, l’an dernier, le télescope spatial le plus perfectionné jamais construit a changé la donne. Le James Webb Space Telescope (JWST) a mis au jour d’anciennes galaxies, plus nombreuses et actives que prévu, dévoilant ainsi un prologue frénétique à la saga de l’espace et du temps. 

Le JWST ne peut cependant pas distinguer les premières étoiles, pas encore assez brillantes pour être détectées. Il faudra attendre qu’elles rayonnent pendant quelques millions d’années avant d’exploser en supernovae – une parenthèse à l’échelle du temps astronomique.

« En fait, nous avons un peu ralenti les images, me confie le cosmologiste Tom Abel. Ça va tellement vite. La version complète aurait été constituée de flashes beaucoup plus rapides. » 

Ces flashes, en fait des supernovae nées d’étoiles dont la masse peut atteindre des centaines de fois celle du Soleil, ont généré de nouveaux éléments qui ont transformé l’Univers : oxygène (nécessaire à la formation de l’eau), silicium (à celle des planètes), ou encore phosphore (indispensable aux cellules). Ces premières étoiles ont aussi cassé les atomes d’hydrogène locaux, contribuant à rendre l’espace transparent, moment clé connu sous le nom de « réionisation» . À mesure que la brume se levait, des poches d’astres ont fusionné, formant des agglomérats tourbillonnants toujours plus vastes – dont les premiers éléments de notre Voie lactée. 

Tom Abel a commencé à modéliser la naissance des premières étoiles dans les années 1990, alors que la nature du premier objet astronomique restait une énigme : s’agissait-il d’un trou noir, d’un corps de la taille de Jupiter, ou d’autre chose ? Par ses simulations informatiques, il a contribué avec ses collègues à établir qu’il devait s’agir d’étoiles, nées là où la gravité l’avait lentement emporté sur la pression du gaz. Il pensa alors qu’il n’y avait plus rien à apprendre. 

Puis vint James Webb.

Lancé le matin de Noël 2021, le télescope spatial est maintenant positionné à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Son miroir primaire de 6,5 m recouvert d’or capte une lumière qui a traversé l’espace pendant plus de 13 milliards d’années, nous révélant le visage d’alors des premières galaxies.

Les astronomes s’attendaient à détecter des galaxies naissantes. Mais ils ne pensaient pas en trouver autant, ni que cela puisse bouleverser leur compréhension des choses.

L’ étude des galaxies la plus poussée jamais entreprise a débuté en septembre 2022, quand l’équipe internationale du JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) a commencé à braquer le télescope sur des régions du ciel des dizaines d’heures d’affilée. Deux semaines plus tard, elle se réunissait à Tucson, à l’université de l’Arizona, pour discuter des premiers résultats.

Quelque cinquante astronomes se sont entassés dans une salle de classe, certains restant debout au fond de la pièce ou apportant des chaises supplémentaires pour pouvoir s’asseoir le long des murs.

Tous les scientifiques présents scrutaient avec fébrilité sur leurs ordinateurs une mosaïque de centaines d’images fraîchement capturées, partagée quelques jours auparavant. Elle contenait des dizaines de milliers de galaxies et autres objets célestes, et des murmures enthousiastes se faisaient entendre à mesure que les participants s’indiquaient des choses jamais vues jusque-là : des régions remplies d’étoiles en formation, des centres galactiques incandescents où pourraient se cacher des trous noirs, des taches de lumière rougeâtres provenant de galaxies si éloignées que seul le JWST pouvait les détecter. « On était comme des enfants dans un magasin de bonbons », me raconte Marcia Rieke, astronome à l’université de l’Arizona et l’une des responsables du programme JADES.

Contrairement au télescope Hubble, notre précédente fenêtre sur le passé lointain, le JWST observe l’Univers dans l’infrarouge – ce qui en fait un instrument idéal pour capturer les rayons des premières étoiles, émis sous forme d’ultraviolets mais dont les longueurs d’ondes, étirées par l’expansion de l’Univers, se sont ensuite décalées vers le rouge. Plus ce décalage est prononcé, plus la cible est éloignée et donc ancienne.

Marcia Rieke a supervisé les débats avec un mélange de joie et de rigueur, répondant aux questions techniques ou discutant du fonctionnement du télescope. En plus d’être l’une des chercheuses les plus éminentes du JADES, elle est la responsable principale de la caméra dans le proche infrarouge (NIRCam) du JWST – à l’origine de la mosaïque de galaxies source de tant d’émoi. Elle a supervisé la conception de l’appareil de 150 kg, un assemblage de miroirs, de lentilles et de détecteurs permettant d’absorber la lumière de l’Univers et de l’étudier à travers différents filtres. « Ces images sont à la hauteur de toutes nos espérances », souligne-t-elle.

Pour autant, tout ne fonctionne pas parfaitement sur le télescope. Son spectrographe dans le proche infrarouge (NIRSpec) a connu des courts-circuits, qui ont créé des taches claires sur certaines cibles visées. L’instrument a pour fonction de scinder la lumière en spectres, ce qui permet aux scientifiques de reconstituer la composition chimique d’une galaxie et de mesurer précisément son décalage vers le rouge. Si les images de la NIRCam peuvent aider à estimer les distances des galaxies, on a besoin du NIRSpec pour les confirmer. ...