Le plus puissant télescope au monde réécrit l'histoire du temps et de l'espace

Quand l'univers était jeune il y a plus de 13 milliards 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 télescope James Webb 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 le télescope 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 télescope James Webb 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 télescope James Webb 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. Les courts-circuits ont retardé certaines observations, ce qui fut un mal pour un bien. Car, si les astronomes avaient prévu d’utiliser le NIRSpec pour examiner des objets connus grâce au télescope spatial Hubble, ils pouvaient désormais changer de cibles et s’intéresser aux galaxies tout juste découvertes par la NIRCam. « Nous sommes devenus fous en les traquant dans ces données que personne n’avait jamais vues », me glisse Kevin Hainline, astrophysicien à l’université de l’Arizona.

Une chose que l’équipe ne pouvait pas faire, c’était changer l’orientation du télescope. Par chance, quatre galaxies lointaines se trouvaient dans son champ de vision. Deux d’entre elles, comme le confirmerait le NIRSpec, étaient plus éloignées et plus vieilles qu’aucune autre connue.

La plus distante, JADES-GS-z13-0, s’était formée juste 325 millions d’années après le big bang. « Dans toute cette folie, je n’ai pas réalisé la portée de ce moment où j’étais assis là, à me dire : “Oh ! C’est la galaxie la plus lointaine que l’homme ait jamais vue !” », raconte Kevin Hainline.

Deux choses sont déjà claires à leur propos : elles sont plus nombreuses que prévu, et étonnamment brillantes pour leur âge. Ces anomalies pourraient être dues au fait que les premières étoiles qui les constituent se sont formées plus facilement qu’on le pensait, ou qu’il y avait plus d’étoiles massives que ce qui était envisagé.

Une des premières galaxies, GN-z11, datant d’environ 440 millions d’années après le big bang, était suffisamment brillante pour que Hubble la repère dès 2016. Le JWST l’a aussi observée et a capté son spectre avec le NIRSpec. « Celle-là a à la fois déconcerté et enthousiasmé tout le monde », note Emma Curtis-Lake, astrophysicienne à l’université du Hertfordshire, en Angleterre, et membre de l’équipe du NIRSpec.

Certains éléments chimiques génèrent des raies d’émission brillantes dans le spectre d’une galaxie, telles des empreintes digitales que laisserait derrière elle la matière galactique. Le spectre de GN-z11 a révélé une quantité étonnante d’azote – ce qui a surpris les scientifiques, incapables d’en expliquer la source. Il est possible qu’une population d’étoiles de Wolf-Rayet,
très chaudes et très actives, ait dispersé cet élément via des vents stellaires. À moins que plusieurs étoiles massives soient entrées en collision, libérant de l’azote dans le processus.

GN-z11 pourrait aussi abriter un trou noir supermassif en son centre, ce qui serait remarquable pour cette époque primitive. Il serait « le trou noir le plus éloigné identifié », pointe l’astrophysicienne. Caché, il a été révélé par des raies spectrales qui suggèrent que de la matière se déplace dans une zone dense, tourbillonnant à plus de 1,5 million de kilomètres à l’heure – le genre de chose auxquelles on s’attend près d’un trou noir. Mais comment ce dernier a pu se développer aussi vite, donc tôt, reste un mystère.

George, le mari de Marcia Rieke, lance, en entrant dans une salle de contrôle servant aussi de kitchenette : « Ce n’est plus comme avant. » Son épouse confirme : « Non, il y a cinq fois plus d’écrans. » Le couple a proposé de me montrer un vieux télescope dans les montagnes, près de Tucson, où ils ont passé une grande partie de leur début de carrière. Tous deux astronomes à l’université de l’Arizona, ils se sont rencontrés en 1972. Le télescope de 1,5 m du mont Bigelow était alors assez récent et servait à cartographier la surface de la Lune. Il est devenu l’un des principaux observatoires dans le domaine naissant de l’astronomie infrarouge. Une sorte d’aïeul du télescope James Webb.

Les Rieke ont contribué à assurer la passation entre les deux instruments. Alors que Marcia supervisait le développement de la NIRCam, George était en charge du MIRI (Mid-Infrared Instrument – pour des mesures dans l’« infrarouge moyen ») du JWST. Restant éveillés des nuits entières, ils ajustaient lentement l’engin pour qu’il garde une cible en vue pendant que
la Terre tournait. Aujourd’hui, leurs assistants peuvent faire la plus grande partie de ce travail à partir d’ordinateurs portables. « Une bande de chiffes molles », plaisante George.

Dans les années 1970, le couple a effectué au mont Bigelow quelques-unes des premières observations dans l’infrarouge du centre de la Voie lactée. Les scientifiques tenaient alors cette zone de notre galaxie pour « une collection de vieilles étoiles sans intérêt », se rappelle Marcia. Mais, dans cette lumière infrarouge, des poches de gaz turbulentes accueillant la formation rapide d’étoiles sont apparues. « Tout le tableau en a été changé », note George.

À l’époque, la lumière infrarouge commençait tout juste à être étudiée en astronomie. Le développement de nouveaux capteurs a peu à peu permis de révéler cette immense partie jusque là ignorée du spectre électromagnétique – allant des rayons gamma aux ondes radio. Le télescope du mont Bigelow a permis de combler une lacune dans l’observation de l’Univers local, et le JWST est ensuite venu compléter notre vision du cosmos lointain.

Mais, pour comprendre vraiment nos origines cosmiques, le télescope spatial ne suffira pas.

Par un matin d'avril, je me suis retrouvé sur un plateau entre des volcans enneigés du désert d’Atacama, au Chili, plissant les yeux dans le soleil. Des tubes en plastique m’apportent un complément d’oxygène, précaution nécessaire quand on rejoint le Grand Réseau millimétrique /submillimétrique de l’Atacama (ALMA), un télescope situé à 5 000 m d’altitude.

Le ciel est d’un bleu plus profond, avec une atmosphère moins dense en molécules risquant de disperser la lumière – un lieu idéal pour l’astronomie. D’où les dizaines d’antennes paraboliques hautes de quatre étages se dressant face à moi, comme autant de sentinelles disséminées sur le plateau andin de Chajnantor. Dans un étonnant ballet, toutes pivotent de conserve quand elles se fixent sur une nouvelle cible.

Observatoire de radioastronomie parmi les plus perfectionnés de la planète, l’ALMA est aussi l’un des rares outils capables de percevoir les galaxies primitives découvertes par le JWST, bien qu’avec une approche différente. Le télescope spatial capte la lumière des étoiles perçant à travers la poussière des galaxies ; tandis que l’ALMA traque la luminosité de la poussière elle-même, chauffée par les étoiles situées à l’intérieur de ces galaxies. « Ces grains de poussière proviennent de l’explosion de supernovae, ce qui permet d’obtenir indirectement des informations sur elles et, partant, sur la première population d’étoiles », explique María Emilia De Rossi, astrophysicienne à l’Institut d’astronomie et de physique de l’espace (IAFE) à Buenos Aires.

L’ALMA a donc orienté ses antennes paraboliques vers certaines des galaxies primordiales. Mais, lors de ses premières tentatives, il n’a souvent pas été en mesure de détecter d’émission de la poussière. Cela pourrait signifier que les galaxies sont encore à un stade embryonnaire et qu’il n’y a pas assez de poussière générée par des explosions stellaires – ou bien que certaines sont en fait plus proches qu’on ne le pensait.

Dans un cas, l’ALMA a toutefois bien détecté une raie d’émission à côté d’une cible du JWST, suggérant que les étoiles de la galaxie ont dispersé leur poussière, ou alors que deux galaxies
dans des phases différentes de leur vie sont en train de fusionner.

Mais ces premières tentatives de l’ALMA pour détecter les galaxies découvertes par le JWST n’étaient que des aperçus fugitifs : des observations plus longues sont désormais prévues. Elles pourraient révéler la quantité de poussière et, surtout, le nombre d’éléments lourds produits – témoins du stade d’évolution des galaxies. Lors de ma visite, deux de ses imposantes antennes avaient été démontées à des fins d’amélioration. Bientôt, elles retourneront sur le plateau de Chajnantor et poseront un regard encore plus performant vers le firmament pour s’attaquer aux mystères des galaxies primordiales.