La dernière image du mois de l'année du télescope spatial James Webb, dirigée par l'ESA, apporte une scène qui ressemble à une carte de Noël des profondeurs de la Voie lactée : le jeune amas stellaire Westerlund 2, immergé dans les nuages incandescents de la nébuleuse Gum 29, remplit le cadre de milliers d'étoiles éblouissantes et de structures complexes de gaz et de poussière. En un seul plan, l'esthétique et la science sont réunies – un « spectacle de feux d'artifice » cosmique visuellement spectaculaire et un laboratoire exceptionnellement riche pour l'étude de la formation des étoiles, des naines brunes et des disques protoplanétaires.

Westerlund 2 est situé à environ 20 000 années-lumière de la Terre dans la constellation australe de la Carène (Carina). Il s'agit d'un amas extrêmement jeune, vieux de seulement deux millions d'années environ, situé dans une vaste région de formation d'étoiles connue sous le nom de Gum 29. Dans cet environnement chaotique, où les étoiles massives « sculptent » la nébuleuse environnante par leur rayonnement et leurs vents, Webb montre maintenant pour la première fois dans l'infrarouge presque toute la population d'étoiles et d'objets substellaires, des géantes les plus massives jusqu'aux plus petites naines brunes dont la masse n'est que d'environ dix fois celle de Jupiter.

La nouvelle image a été créée en combinant les données des instruments de Webb NIRCam (Near-Infrared Camera) et MIRI (Mid-Infrared Instrument). NIRCam, dans le domaine de l'infrarouge proche, enregistre les jeunes étoiles qui percent la poussière, tandis que MIRI, dans l'infrarouge moyen, révèle le gaz poussiéreux incandescent et les couches de matière chaude où naissent les planètes. Ensemble, ils donnent une image stratifiée, presque tridimensionnelle, d'un « berceau » stellaire en plein fonctionnement.

Feu d'artifice d'étoiles au cœur de la nébuleuse Gum 29

Dans la partie supérieure de l'image de Webb domine un amas dense d'étoiles jeunes et extrêmement massives – le cœur même de Westerlund 2. Beaucoup d'entre elles comptent parmi les étoiles les plus chaudes et les plus brillantes connues dans la Voie lactée, et une partie du système comprend probablement aussi des étoiles de type Wolf–Rayet, qui montrent déjà de forts vents stellaires et un riche spectre de raies d'émission. Leur intense rayonnement ultraviolet et leurs vents « sablent » littéralement le gaz environnant, le poussant en vagues, falaises et piliers qui entourent le noyau de l'amas.

L'amas Westerlund 2 s'étend sur environ 6 à 13 années-lumière de diamètre et contient environ plusieurs milliers d'étoiles, des géantes chaudes de type O à une multitude d'étoiles plus faibles, nouvellement formées et de masse inférieure. Comme l'amas est très jeune, il n'a pas encore réussi à se « disperser » gravitationnellement dans la galaxie ; toutes les étoiles sont encore relativement densément tassées dans la même zone. C'est précisément cette densité et cette jeunesse qui font de Westerlund 2 un laboratoire naturel idéal pour étudier les processus par lesquels les étoiles et les planètes se forment dans les conditions les plus extrêmes.

La nébuleuse Gum 29, dans laquelle se trouve l'amas, est une immense bulle d'hydrogène ionisé et de poussière. Sur l'image de Webb, les parois de cette bulle sont représentées comme des structures ondulées et brisées dans des nuances d'orange et de rouge, tandis que les couches de matière plus minces et plus rares passent à des tons bleus et roses plus doux. Le rayonnement des étoiles de Westerlund 2 imprègne toute la scène, illuminant les bords des nuages comme le soleil couchant qui colore les bords des cumulus sur Terre.

La célèbre image de Hubble publiée à l'occasion du 25e anniversaire de ce télescope rappelait la même scène il y a une dizaine d'années. Hubble avait alors montré dans le domaine visible et le proche infrarouge un feu d'artifice d'environ trois mille jeunes étoiles et de nuages de gaz chaotiques. Cependant, les instruments de Webb peuvent regarder encore plus profondément à travers la poussière et révéler aussi ces sources de lumière beaucoup plus faibles que Hubble ne pouvait pas clairement résoudre – en particulier les étoiles plus froides de faible masse et les naines brunes qui se cachent dans les ombres des nuages.

Étincelles stellaires à six branches et parois de gaz incandescentes

L'impression visuelle de l'image de Webb de Westerlund 2 peut tromper au premier coup d'œil : dans le ciel, il semble que toutes les étoiles fassent partie du même amas. Mais beaucoup des étoiles les plus éblouissantes avec des « flocons » de diffraction à six branches spectaculaires se trouvent en réalité beaucoup plus près de la Terre. Ce sont des étoiles de notre bras spiral de la Voie lactée, dont la lumière se réfracte de manière particulièrement accentuée sur la géométrie des miroirs et des supports de Webb, créant le motif de pointes reconnaissable.

Les vrais membres de Westerlund 2 sont pour la plupart beaucoup plus faibles, mais ils sont étonnamment nombreux dans la vue infrarouge de Webb. Dans la partie centrale de l'image, nous voyons un amas dense de minuscules points pointus – des jeunes étoiles sur la séquence principale et des objets de la pré-séquence principale, qui terminent à peine leur phase de formation. Certaines d'entre elles sont encore plongées dans de petits cocons de gaz et de poussière, visibles comme des « nœuds » froissés et denses dans des nuages par ailleurs plus transparents.

Au-dessous et autour de l'amas principal se détachent de grands murs et piliers de gaz aux formes presque sculpturales. Ce sont des zones où les nuages ont déjà été érodés par le rayonnement des étoiles les plus massives ; les bords de ces structures sont éclairés comme le pourtour des nuages au coucher du soleil, mais dans l'infrarouge, de sorte que les couleurs passent du rouge foncé à l'orange clair. Dans ces couches limites se trouvent également des piliers denses et des « doigts » de matière qui protègent les nids d'étoiles intérieurs, encore plus froids, du rayonnement le plus fort.

Dans les parties plus minces de la nébuleuse, entre les nuages plus denses, le rayonnement infrarouge montre de douces nuances bleuâtres et roses – des traces de gaz et de poussière plus rares qui flottent entre les deux principales zones de formation d'étoiles. L'image entière fonctionne ainsi comme une carte de densité et de température : les parties plus chaudes et plus denses brillent dans des tons plus rouges, tandis que la matière plus froide et plus rare passe à des couleurs plus douces et plus transparentes.

Comment Webb « voit » à travers la poussière : NIRCam et MIRI en tandem

La clé d'une image aussi détaillée réside dans la combinaison des deux caméras principales de Webb. NIRCam, la caméra pour l'infrarouge proche, est sensible aux longueurs d'onde d'environ 0,6 à 5 micromètres. Elle est le principal « cheval de trait » de Webb pour des images nettes de jeunes étoiles et de protoétoiles, mais aussi l'outil avec lequel le télescope s'est initialement calibré et mis au point. Grâce à une haute résolution spatiale et une grande sensibilité, NIRCam peut distinguer des étoiles individuelles même dans des amas extrêmement denses comme Westerlund 2, où des milliers de sources de lumière se trouvent presque « coude à coude ».

MIRI, l'instrument pour l'infrarouge moyen, fonctionne à des longueurs d'onde encore plus grandes, d'environ 5 à 28 micromètres. Dans ce domaine rayonnent le gaz poussiéreux chaud et les particules de poussière chauffées par le rayonnement stellaire, ainsi que les couches de gaz moléculaire au voisinage des jeunes étoiles et des disques protoplanétaires. MIRI donne ainsi une carte des parties de la nébuleuse d'où provient la chaleur et où se trouvent des poches de matière denses et encore actives d'où les étoiles et les planètes continuent de naître.

Dans la représentation de Westerlund 2, les données de NIRCam et MIRI ont été soigneusement fusionnées en une seule image composite. Des couleurs infrarouges spécifiques ont été choisies pour souligner les différences entre les étoiles chaudes et massives, les étoiles plus froides nouvellement formées de faible masse et les nuages de gaz et de poussière. Derrière le résultat esthétiquement attrayant se cache un « codage » scientifique précis des couleurs, qui permet aux astronomes de lire à partir d'une image une multitude d'informations physiques différentes – de la température et de la densité à la structure et à la profondeur des nuages.

Chasse aux naines brunes : un recensement complet des voisins substellaires

L'un des résultats scientifiques les plus importants qui se cache derrière cette image est le premier recensement presque complet des naines brunes dans Westerlund 2. Les naines brunes sont des objets « entre » les étoiles et les planètes : elles sont assez massives pour que la fusion du deutérium démarre dans leurs noyaux, mais n'ont pas assez de masse pour maintenir une fusion stable de l'hydrogène comme les vraies étoiles. C'est pourquoi elles sont très sombres et froides dans le domaine optique, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter à de grandes distances – surtout si elles sont cachées derrière des nuages de poussière.

C'est précisément là qu'intervient la sensibilité de Webb dans le spectre infrarouge. Dans Westerlund 2, les données de Webb révèlent pour la première fois toute une série de naines brunes dans un amas jeune extrêmement massif, y compris des objets dont la masse n'est que d'environ dix masses de Jupiter. De tels objets sont hors de portée de la plupart des instruments précédents, ils étaient donc jusqu'à présent pratiquement invisibles à ces distances.

Le recensement de ces membres substellaires de l'amas est particulièrement important pour comprendre ce que l'on appelle la fonction de masse initiale – la distribution des masses avec laquelle la nature « donne naissance » aux étoiles et aux objets substellaires dans différents environnements. Dans des pépinières stellaires plus calmes et moins denses, les astronomes ont déjà pu étudier comment le nombre de petites étoiles et de naines brunes se compare au nombre d'étoiles massives. Mais dans des amas extrêmes et supermassifs comme Westerlund 2, où dominent des étoiles très massives et un fort rayonnement, de telles études détaillées étaient jusqu'à présent impossibles.

Les données de Webb permettent maintenant de déterminer pour Westerlund 2 dans quelle mesure ce « voisinage extrême » favorise ou étouffe la formation de naines brunes. S'il s'avère que leur nombre est similaire à celui des zones plus calmes, cela suggérerait que la nature crée des objets substellaires à un rythme similaire quel que soit l'environnement. Mais s'il y en a nettement moins ou plus, cela signifierait que l'environnement – densité du gaz, turbulence, rayonnement – change directement la façon dont le gaz se fragmente et s'effondre en nouveaux objets.

Disques dans un quartier dangereux : où naissent et disparaissent les planètes

Outre les naines brunes, les données de Webb s'appuient également sur le suivi pluriannuel par Hubble des disques protoplanétaires dans Westerlund 2. Les disques sont des structures plates et rotatives de gaz et de poussière entourant les jeunes étoiles ; c'est précisément dans ces disques que se forment les systèmes planétaires. Cependant, au centre de Westerlund 2, où les étoiles massives bombardent constamment les environs de rayonnement ultraviolet et de vents puissants, les disques sont exposés à un environnement qui les menace de dispersion et d'évaporation.

Hubble a montré dans un programme de trois ans que les disques des étoiles plus proches du centre de l'amas perdent de la matière beaucoup plus rapidement que les disques dans les zones périphériques. Webb poursuit maintenant cette histoire dans le domaine infrarouge : grâce à la sensibilité à la poussière chaude et au gaz moléculaire, les astronomes peuvent identifier plusieurs centaines d'étoiles avec des disques à différents stades de développement dans tout l'amas, des disques denses et encore massifs aux structures déjà assez dénudées au bord de la survie.

Une telle comparaison offre l'occasion rare d'observer directement comment l'environnement influence l'avenir des systèmes planétaires potentiels. Au centre de Westerlund 2, les planètes – si elles se forment – sont probablement exposées à un fort rayonnement et à de fréquentes rencontres proches avec des étoiles voisines. Le résultat peut être des orbites déstabilisées, des planètes éjectées ou des systèmes très exotiques qui ressemblent peu à notre Système solaire. Aux bords de l'amas, où l'environnement est plus calme, les disques ont plus de temps pour refroidir, accumuler de la poussière et construire des planètes avant que les géantes environnantes ne les détruisent.

Westerlund 2 sert donc de terrain d'essai extrême : il montre comment la formation des planètes se déroule dans un « mauvais quartier » de la galaxie, dans des conditions qui ressemblent probablement aux environnements dans lesquels les premières générations d'étoiles et de planètes sont nées au début de l'histoire de l'univers. En comparant avec des amas plus calmes et plus petits, les astronomes peuvent reconstruire à quel point notre Système solaire était « protégé » par rapport à des régions aussi violentes.

EWOCS : un grand projet de cartographie des amas stellaires supermassifs

La nouvelle image Webb de Westerlund 2 fait partie d'observations plus larges menées dans le cadre du projet Extended Westerlund 1 and 2 Open Clusters Survey (EWOCS). Il s'agit d'un grand programme international qui combine les données du télescope spatial James Webb, de l'observatoire à rayons X Chandra et d'autres instruments pour étudier en détail les amas jeunes les plus massifs de notre galaxie – Westerlund 1 et Westerlund 2.

EWOCS a été conçu avec plusieurs objectifs clés. Premièrement, il veut déterminer la distribution complète des masses des étoiles et des objets substellaires dans ces amas, des étoiles les plus massives aux naines brunes. Deuxièmement, l'intention est d'identifier et de caractériser les disques protoplanétaires dans un environnement aussi extrême, où le fort rayonnement et les vents des étoiles massives changent constamment le « climat » local. Troisièmement, le projet s'efforce de suivre comment les interactions entre les étoiles et l'environnement – rayonnement, chocs, passages gravitationnels proches – se reflètent sur l'évolution des étoiles elles-mêmes et de leurs systèmes.

Pour Westerlund 1, EWOCS a déjà fourni un catalogue détaillé de sources de rayons X et une image spectaculaire de Webb montrant le noyau de l'amas supermassif avec des milliers d'étoiles de différentes masses. La même approche est maintenant appliquée à Westerlund 2, les observations infrarouges de Webb (y compris un programme JWST dédié sur Westerlund 2) étant conçues pour atteindre même les membres les plus sombres et de faible masse de l'amas, mais aussi pour mettre en valeur les disques et les structures de gaz.

En plus de produire des images impressionnantes pour le public, EWOCS génère également de vastes données de catalogue – positions, luminosités, spectres et autres paramètres de milliers de sources. Ces données permettent des études statistiques qui répondront à une série de questions dans les années à venir : combien de naines brunes naissent dans de tels amas supermassifs, combien de temps les disques survivent-ils à proximité des étoiles massives, quelle est la dynamique interne de l'amas et comment tout cela affecte les perspectives de formation des planètes.

Lien avec Hubble, Chandra et les futures missions

Westerlund 2 n'est pas un nouvel objet pour les astronomes – mais Webb lui donne une toute nouvelle dimension. Hubble avait déjà publié en 2015 une célèbre image de Westerlund 2 et de la nébuleuse Gum 29 à l'occasion de son propre 25e anniversaire, montrant un « feu d'artifice stellaire » dans le domaine visible et le proche infrarouge. L'observatoire à rayons X Chandra a complété l'image dans le domaine des hautes énergies, révélant combien d'étoiles jeunes et massives brillent aussi en rayons X, avec une émission diffuse de gaz chaud entre elles.

Maintenant, Webb combine et étend toutes ces informations dans l'infrarouge, le domaine où les étoiles avec disques, les naines brunes et le gaz poussiéreux chaud sont le plus facilement observables. En combinaison avec les données de Hubble et Chandra, les astronomes peuvent construire une carte presque « multicouche » de Westerlund 2 : la lumière visible montre les surfaces éclairées des nuages, le rayonnement infrarouge révèle les jeunes étoiles et les disques cachés, et le rayonnement X parle des processus et des chocs les plus énergétiques.

De telles comparaisons multiples auront des conséquences de grande portée aussi pour les futures missions. Westerlund 2 sert d'échantillon de référence pour comprendre les amas stellaires dans d'autres galaxies, que Webb observe déjà dans l'infrarouge, mais comme de minuscules points à peine résolvables. En sachant en détail à quoi ressemble « de l'intérieur » un amas local mais extrême, les astronomes pourront mieux interpréter les signaux d'objets beaucoup plus lointains dans l'univers primitif.

Westerlund 2 comme fenêtre sur le passé de la Voie lactée

Westerlund 2 et ses « jumeaux » comme Westerlund 1 représentent un type d'environnement considéré comme courant dans l'histoire précoce de la Voie lactée. À cette époque, la galaxie connaissait des périodes de formation intense d'étoiles, créant des amas supermassifs dans lesquels la densité d'étoiles et le niveau de rayonnement étaient beaucoup plus élevés que dans la plupart des amas ouverts actuels.

Comprendre comment les étoiles et les planètes se forment et survivent dans de telles conditions aide à répondre à des questions telles que : dans quelle mesure est-il courant que des systèmes planétaires semblables à notre Système solaire se forment et survivent dans la galaxie ? Si la plupart des étoiles naissent dans des amas similaires à Westerlund 2, alors une part importante des planètes potentielles est exposée dès le départ à des conditions violentes qui peuvent limiter leur longévité et leur stabilité.

Westerlund 2 permet également de tester des théories sur la façon dont les étoiles massives naissent et meurent. Dans des environnements aussi denses, des interactions proches et des fusions d'étoiles sont possibles, ce qui peut conduire à la création d'objets extrêmement massifs et, finalement, de supernovae très puissantes ou même de trous noirs de masses plus importantes que dans les cas moyens. Les données infrarouges détaillées de Webb aideront à identifier les étoiles les plus massives et les plus évoluées de l'amas, ainsi que leurs interactions avec le gaz environnant.

Pour les astronomes qui s'occupent de l'évolution des galaxies à des échelles cosmiques, Westerlund 2 représente un « modèle » local d'environnement starburst – une zone de formation d'étoiles extrêmement intense. En comparant avec des galaxies starburst lointaines, Webb permet de comparer l'image macroscopique (taux globaux de formation d'étoiles et scintillement infrarouge de toute la galaxie) avec l'image microscopique (amas individuels, disques et naines brunes).

Scène cosmique pour le public, trésor de données pour la science

Bien que ce « feu d'artifice éblouissant d'étoiles naines » restera avant tout un plaisir visuel pour beaucoup, derrière lui se cache une immense quantité de données et d'objectifs scientifiques pré-planifiés. Chaque pixel de l'image est né d'une série d'observations dans différents filtres, de calibrages complexes et d'un traitement minutieux. Les données sont ensuite converties en catalogues avec positions, luminosités et couleurs de milliers d'étoiles, et en spectres et produits supplémentaires qui permettent des analyses détaillées.

Pour les scientifiques, cette image n'est que le début – une sorte de page de couverture de vastes catalogues et travaux qui suivent. Dans les années à venir, des études détaillées de la fonction de masse dans Westerlund 2, des travaux sur le développement des disques dans des conditions extrêmes, des analyses de la structure de la nébuleuse Gum 29, mais aussi des comparaisons avec d'autres amas dans la Voie lactée et au-delà sont attendus. Westerlund 2, qui a déjà marqué le 25e anniversaire de Hubble, devient maintenant aussi l'un des symboles visuellement les plus impressionnants de la capacité de Webb à dévoiler les couches cachées de notre cosmos.

Pour le grand public, la dernière image du mois de Webb en 2025 fournit aussi un rappel un peu plus profond : derrière chaque étoile brillante dans la nuit se cache toute une histoire de formation et d'évolution, largement façonnée par l'environnement dans lequel cette étoile est née. Westerlund 2 montre à quel point cet environnement peut être dramatique – et combien de connaissances sont nécessaires pour que nous le comprenions vraiment.