Trois années se sont écoulées depuis que l'humanité a acquis une nouvelle vision, plus puissante, de l'espace, une fenêtre sur le domaine de l'infrarouge qui était jusqu'à présent largement caché à nos yeux. Depuis juillet 2022, le télescope spatial James Webb, successeur du légendaire Hubble et merveille technologique sans précédent, observe inlassablement le cosmos. Sa capacité extraordinaire à détecter et à analyser la lumière infrarouge, invisible à l'œil humain, permet aux scientifiques d'assister à des scènes qui n'étaient, il y a peu, que le fruit de considérations théoriques. Webb ne se contente pas de tenir les promesses avec lesquelles il a été lancé – il les surpasse à un tel point que les astronomes peinent à trouver les mots pour décrire le déluge de nouvelles données. En seulement trois ans, cet observatoire a changé notre compréhension de tout, des galaxies les plus lointaines aux confins de l'univers visible à notre propre voisinage cosmique, le système solaire.

Construit avec pour mission de réécrire les manuels d'astronomie, le Webb a déjà déclenché une véritable révolution scientifique. À ce jour, il a mené à bien plus de 860 programmes scientifiques, dont environ un quart de son temps de fonctionnement est consacré à la capture d'images époustouflantes, et les trois quarts restants, dominants, à la spectroscopie – l'analyse détaillée de la lumière qui révèle la composition chimique, la température et le mouvement des objets célestes. La quantité de données collectées est monumentale : près de 550 téraoctets d'informations ont abouti à plus de 1600 articles scientifiques publiés. Chacun de ces articles apporte des résultats fascinants, mais ouvre également une série de nouvelles questions, encore plus profondes. Ci-dessous, nous présentons dix surprises cosmiques que le Webb nous a révélées et qui ont fondamentalement changé notre vision de l'univers.

Révolution dans la compréhension de l'aube cosmique

L'un des principaux objectifs scientifiques du télescope Webb était de sonder l'« aube cosmique », la période durant le premier milliard d'années après le Big Bang, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées. Les attentes étaient modestes – les scientifiques espéraient n'apercevoir que quelques galaxies pâles et peu développées, sortes d'embryons cosmiques qui ne feraient qu'annoncer les futures structures grandioses comme notre Voie lactée. Mais ce que Webb a vu était tout sauf modeste. Au lieu des galaxies faibles et à peine discernables attendues, Webb a découvert des galaxies étonnamment brillantes, massives et bien structurées qui existaient déjà dans les 300 premiers millions d'années après le Big Bang. Il a trouvé des galaxies avec des trous noirs qui semblent bien trop massifs pour leur jeune âge, ce qui représente un défi de taille pour les modèles existants de croissance des trous noirs. Une galaxie ressemblant à la Voie lactée dans son enfance a même été découverte, existant lorsque l'univers n'avait que 600 millions d'années. Certaines de ces découvertes, comme celles du programme JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), ont montré que certaines galaxies s'étaient déjà « éteintes » et avaient cessé de former des étoiles au cours du premier milliard d'années, tandis que d'autres, en 1,5 milliard d'années, s'étaient développées en galaxies spirales complexes de « grand dessein », telles que celles que nous voyons dans l'univers d'aujourd'hui. Bien que des centaines de millions d'années puissent sembler une longue période, dans le contexte des 13,8 milliards d'années de l'univers, cela équivaut à un développement qui s'est déroulé au cours des premières semaines d'une année cosmique. Ces premières galaxies ont créé des générations d'étoiles à une vitesse fulgurante, enrichissant le jeune univers en éléments plus lourds qui sont le fondement de tout ce que nous connaissons aujourd'hui.

Les énigmatiques « Petits Points Rouges » disséminés dans l'univers profond

La vision infrarouge perçante de Webb a révélé une toute nouvelle classe d'objets célestes : une population lointaine de galaxies mystérieusement compactes, brillantes et nettement rouges que les astronomes ont surnommées les « Petits Points Rouges » (Little Red Dots). Leur apparition soulève de nombreuses questions. Qu'est-ce qui les rend si brillants et si rouges ? Leur lumière est-elle le résultat d'amas extrêmement denses d'étoiles inhabituellement brillantes, ou peut-être de gaz s'engouffrant à une vitesse vertigineuse dans un trou noir supermassif en leur centre, ou encore une combinaison des deux phénomènes ? Leur histoire est également une énigme. Il semble que ces « points » soient apparus dans l'univers environ 600 millions d'années après le Big Bang, il y a environ 13,2 milliards d'années, pour que leur nombre diminue brusquement moins d'un milliard d'années plus tard. Ont-ils évolué en autre chose ? Si oui, comment ? Webb mène actuellement des recherches plus détaillées sur ces objets afin de fournir des réponses à ces questions intrigantes.

Confirmation de la « tension de Hubble » : Étoiles pulsantes et supernova triple

À quelle vitesse l'univers s'étend-il ? Cette question d'apparence simple est l'un des plus grands mystères de la cosmologie moderne, car différentes méthodes de mesure du taux d'expansion donnent des résultats différents. Ce désaccord est connu sous le nom de « tension de Hubble ». Une question cruciale se pose : ces différences sont-elles simplement le résultat d'erreurs de mesure ou se passe-t-il quelque chose de fondamental dans l'univers que nous ne comprenons pas encore ? Les données de Webb à ce jour suggèrent fortement que le problème ne vient pas des erreurs de mesure. Le télescope, grâce à sa résolution incroyable, a pu distinguer clairement les étoiles pulsantes (Céphéides) des étoiles voisines dans des régions densément peuplées, garantissant que les mesures de distance ne sont pas « contaminées » par une lumière supplémentaire. De plus, Webb a découvert une supernova lointaine, lentillée gravitationnellement, dont l'image apparaît à trois endroits différents et à trois moments différents au cours de son explosion. Le calcul du taux d'expansion basé sur la luminosité de la supernova en ces trois points fournit une vérification indépendante des mesures obtenues par d'autres techniques. Tant que la question de la tension de Hubble ne sera pas résolue, Webb continuera à effectuer des mesures précises de divers objets, à explorer de nouvelles méthodes et à approfondir le mystère.

Atmosphères étonnamment riches et variées des géantes gazeuses

Bien que le télescope spatial Hubble ait été le premier à détecter des gaz dans l'atmosphère d'une exoplanète – une planète en dehors de notre système solaire – Webb a porté ces recherches à un niveau entièrement nouveau et inimaginable. Son analyse spectroscopique a révélé un riche cocktail de produits chimiques dans les atmosphères de mondes lointains, notamment du sulfure d'hydrogène, de l'ammoniac, du dioxyde de carbone, du méthane et du dioxyde de soufre. Aucun de ces composés n'avait jamais été clairement détecté dans une atmosphère en dehors de notre système. Webb a également permis d'étudier les climats exotiques des géantes gazeuses comme jamais auparavant. Par exemple, sur la géante gazeuse chaude et bouffie WASP-17 b, il a détecté des flocons de « neige » de dioxyde de silicium (quartz) dans les nuages. Sur la planète WASP-39 b, il a mesuré des différences de température et de couverture nuageuse entre les côtés matin et soir permanents de la planète, offrant un aperçu de la dynamique de la circulation globale sur des mondes qui sont en rotation synchrone avec leur étoile.

Un monde de lave rocheux avec une atmosphère possible

Détecter, et encore moins analyser, la mince couche de gaz qui entoure une petite planète rocheuse est une tâche extrêmement difficile. Cependant, la capacité extraordinaire de Webb à mesurer de subtiles variations de la luminosité de la lumière infrarouge le rend possible. Jusqu'à présent, le télescope a pu exclure l'existence d'une atmosphère significative sur plusieurs planètes rocheuses. Cependant, sur la planète 55 Cancri e, un monde recouvert d'un océan de lave en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil à 40 années-lumière, il a trouvé des indices intrigants de monoxyde ou de dioxyde de carbone. L'hypothèse principale est que cette planète pourrait avoir une atmosphère secondaire, continuellement alimentée par le gaz s'évaporant de sa surface brûlante et recouverte de lave. Avec de telles découvertes, Webb jette les bases du futur observatoire de la NASA, le Habitable Worlds Observatory, qui sera la première mission spécifiquement conçue pour imager directement et rechercher des signes de vie sur des planètes semblables à la Terre autour d'étoiles semblables au Soleil.

Révéler le squelette osseux des galaxies spirales proches

Nous savons depuis longtemps que les galaxies sont des villes cosmiques composées d'étoiles, de planètes, de poussière, de gaz, de matière noire et de trous noirs – des lieux où les étoiles naissent, vivent, meurent et sont recyclées dans la génération suivante. Mais jamais auparavant nous n'avions pu voir la structure d'une galaxie et les interactions entre les étoiles et leur environnement avec des détails aussi captivants. La vision infrarouge de Webb pénètre à travers les nuages de poussière qui masquent la vue des autres télescopes et révèle la structure « squelettique » des galaxies. Nous voyons des filaments de poussière qui suivent les bras spiraux, de vieux amas d'étoiles qui forment les noyaux galactiques, des étoiles nouvellement formées encore enveloppées dans d'épais cocons de gaz et de poussière incandescents, et des amas de jeunes étoiles chaudes dont le rayonnement et les vents « sculptent » d'énormes cavités dans le matériau environnant. Des images comme celle de la galaxie du Fantôme (M74/NGC 628) montrent clairement comment les vents stellaires et les explosions de supernova remodèlent activement leurs foyers galactiques.

La frontière ténue entre une naine brune et une planète errante

Les naines brunes sont des objets qui se forment comme des étoiles, mais ne sont pas assez massifs et chauds pour déclencher la fusion nucléaire de l'hydrogène dans leur noyau, le processus qui définit les étoiles. D'un autre côté, les « planètes errantes » se forment comme d'autres planètes au sein d'un système, mais en sont ensuite éjectées et errent maintenant dans l'espace sans étoile hôte. Webb a observé des centaines d'objets ressemblant à des naines brunes dans la Voie lactée, et a même détecté quelques candidats dans une galaxie voisine. Le problème est que certains de ces objets sont extrêmement petits – seulement quelques fois plus massifs que Jupiter – ce qui rend difficile la compréhension de leur formation. S'agit-il en fait de géantes gazeuses flottant librement ? Quelle est la quantité minimale de matière nécessaire pour former une naine brune ou une étoile ? Nous n'en sommes pas encore sûrs, mais grâce à trois ans d'observations avec le télescope Webb, nous savons maintenant qu'il existe un continuum d'objets allant des planètes aux étoiles en passant par les naines brunes, avec des frontières floues entre eux.

Les planètes peuvent-elles survivre à la mort de leur étoile ?

Lorsqu'une étoile comme notre Soleil arrive en fin de vie, elle gonfle pour devenir une géante rouge, devenant assez grande pour engloutir les planètes proches. Ensuite, elle se débarrasse de ses couches externes, laissant derrière elle un noyau super-chaud connu sous le nom de naine blanche. Existe-t-il une « distance de sécurité » à laquelle les planètes peuvent survivre à ce processus cataclysmique ? Webb a peut-être trouvé la réponse. Il a découvert plusieurs candidats de planètes en orbite autour de naines blanches. S'il se confirme qu'il s'agit bien de planètes, cela signifierait qu'il est possible pour les systèmes planétaires, ou du moins leurs parties externes, de survivre à la mort de leur étoile, en continuant à orbiter autour de la braise stellaire qui se refroidit lentement. Cela ouvre des possibilités fascinantes sur le destin à long terme des systèmes planétaires.

La fontaine d'Encelade alimente le système de Saturne en eau

Parmi les « mondes océaniques » glacés de notre système solaire, la lune de Saturne, Encelade, est peut-être la plus intrigante. La mission Cassini de la NASA a été la première à détecter des geysers de vapeur d'eau jaillissant de son pôle sud. Cependant, seul Webb a pu révéler la véritable ampleur de ces panaches. Les observations ont montré un vaste nuage de vapeur d'eau s'étendant sur plus de 9 600 kilomètres, soit près de 20 fois la largeur d'Encelade lui-même. Cette eau se propage et forme un tore, un anneau en forme de beignet, qui entoure Saturne au-delà de ses anneaux visibles connus. Alors qu'une petite partie de l'eau reste dans ce tore, la majorité est dispersée dans tout le système saturnien, et « pleut » même sur la planète elle-même. Les observations uniques de Webb sur les anneaux, les aurores, les nuages, les vents et d'autres phénomènes du système solaire nous aident à mieux comprendre de quoi est fait notre voisinage cosmique et comment il a changé au fil du temps.

Évaluation des astéroïdes qui menacent la Terre

Au cours de l'année 2024, les astronomes ont découvert un astéroïde pour lequel les calculs préliminaires montraient une certaine chance de heurter la Terre. De tels astéroïdes potentiellement dangereux deviennent immédiatement le centre d'une observation intensive. Webb, avec ses capacités uniques, a pu mesurer rapidement l'objet, qui s'est avéré être de la taille d'un immeuble de 15 étages. Bien que cet astéroïde particulier ne soit plus considéré comme une menace, l'étude a démontré le rôle crucial de Webb dans l'évaluation des dangers venus de l'espace. Le télescope a également fourni un soutien crucial à la mission DART (Double Asteroid Redirection Test) de la NASA, qui a intentionnellement fait s'écraser un engin spatial sur le système d'astéroïdes Didymos, prouvant qu'un impact planifié peut dévier la trajectoire d'un astéroïde qui serait sur une trajectoire de collision avec la Terre. Webb et Hubble ont tous deux observé l'impact, témoignant du nuage de matière éjectée. L'analyse spectroscopique de cette matière par Webb a confirmé que la composition de l'astéroïde est probablement typique de ceux qui pourraient constituer une menace pour la Terre, fournissant des données clés pour les futures missions de défense planétaire.

En seulement trois ans de fonctionnement, Webb a affiné notre vision de l'univers lointain, révélant des galaxies primitives étonnamment brillantes et nombreuses. Il a dévoilé de nouvelles étoiles dans leurs berceaux poussiéreux, les restes d'étoiles explosées et les squelettes de galaxies entières. Il a étudié la météo sur les géantes gazeuses et recherché des atmosphères sur des mondes rocheux. Il a fourni de nouvelles perspectives sur les habitants de notre propre système solaire. Mais ce n'est que le début. Les ingénieurs estiment que Webb a suffisamment de carburant pour poursuivre ses observations pendant au moins 20 ans, ce qui nous donne l'occasion de répondre à d'autres questions, d'explorer de nouveaux mystères et d'assembler encore plus de pièces du puzzle cosmique. La demande de temps d'observation sur Webb est plus forte que jamais, dépassant tout autre télescope de l'histoire, que ce soit sur Terre ou dans l'espace. Quelles nouvelles découvertes nous attendent ?

L'article original a été publié sur le portail NASA science.nasa.gov.
Source : 3 Years of Science: 10 Cosmic Surprises from NASA’s Webb Telescope
Auteur : Dr. Macarena Garcia Marin et Margaret W. Carruthers, Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland