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L'étude des premières galaxies

En , le télescope spatial Hubble a été pointé pendant 10 jours sur une minuscule parcelle de ciel apparemment vide près de la Grande Ourse. L'image qu'il a captée, appelée Hubble Deep Field, a révolutionné la perception de l'Univers par les astronomes et l'humanité tout entière. Elle a révélé un total d'environ 3000 objets célestes, dont la plupart sont des galaxies de toutes formes, tailles et couleurs, chacune à un stade différent de son évolution. La lumière de la plus lointaine d'entre elles a fait un voyage de 10 milliards d'années à travers le cosmos avant de parvenir à Hubble.

Hubble Deep Field

L'image Hubble Deep Field prise par le télescope spatial Hubble en offre un spectacle saisissant de milliers de galaxies lointaines dans ce que l'on croyait être une zone vide du ciel près de la Grande Ourse (Source : R. Williams [STScI], l'équipe Hubble Deep Field et NASA/ESA.)

Depuis, d'autres images encore plus détaillées de cette même zone ont été prises. Selon les estimations actuelles des astronomes, il y a plus de mille milliards de galaxies dans l'Univers observable. Hubble a pu observer les galaxies telles qu'elles étaient 500 millions d'années après le big bang. Le télescope spatial James Webb, qu'on dit le successeur de Hubble, promet de repousser encore plus loin les limites de l'astronomie et d'étudier certaines des toutes premières galaxies, formées 200 millions d'années seulement après le début de l'Univers.

Les télescopes, de véritables machines à remonter le temps

Ce qui est unique en astronomie, c'est qu'observer des objets éloignés dans l'espace signifie aussi regarder loin dans le temps. Les astronomes ne peuvent généralement étudier les objets célestes qu'en observant la lumière qu'ils émettent. Comme la lumière voyage à la vitesse constante d'environ 1 milliard de km/h, les observations télescopiques ne révèlent pas ces objets lointains tels qu'ils sont aujourd'hui, mais plutôt tels qu'ils étaient quand la lumière a été émise il y a des centaines, des millions, voire des milliards d'années. Quand les astronomes observent une galaxie à une distance de 10 milliards d'années-lumière, ils l'observent telle qu'elle était il y a 10 milliards d'années!

Par ailleurs, la lumière de ces objets éloignés change à mesure qu'elle parcourt de grandes distances. La lumière peut être considérée comme une onde. La lumière bleue est énergétique et composée d'ondes serrées avec une longueur d'onde courte. La lumière rouge est moins énergétique et a une longueur d'onde plus longue. En voyageant dans l'espace, la lumière subit l'effet de l'expansion de l'Univers. À mesure que la lumière traverse l'Univers en expansion, sa longueur d'onde s'allonge et la lumière semble plus rouge qu'elle l'est en réalité. Ce phénomène appelé décalage vers le rouge signifie qu'un objet lointain bleu paraitra rouge au moment de son observation par les astronomes.

Décalage vers le rouge de la lumière de galaxies lointaines – infographie

À mesure que la lumière traverse l'Univers en expansion, la longueur d'onde s'allonge et la lumière semble plus rouge qu'elle l'est en réalité. C'est ce qu'on appelle le « décalage vers le rouge ». (Source : STScI, Agence spatiale canadienne.)

Les toutes premières galaxies brillaient dans l'ultraviolet et la lumière bleue, mais comme elles sont très éloignées de nous, leur lumière est décalée vers le rouge quand les astronomes les observent. Cette lumière ancienne parait donc sous forme de lumière rouge et infrarouge. Le puissant télescope infrarouge James Webb est parfait pour étudier ces premières galaxies.

Les astronomes canadiens au travail : le programme CANUCS

Grâce à sa participation au projet international du télescope spatial James Webb, le Canada a obtenu 450 heures de temps d'observation en temps garanti au cours des premières années de la mission.

Lumière d'une galaxie bleue lointaine

Dans cette image, la lumière d'une galaxie bleue lointaine est déformée par la gravité d'une galaxie rouge plus proche de nous. Cet effet est appelé lentille gravitationnelle. (Source : ESA/Hubble/NASA.)

Près de 200 de ces heures seront consacrées au programme CANUCS (pour CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey) dirigé par Chris Willott, du Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique du Conseil national de recherches du Canada. Son équipe et lui utiliseront plusieurs des instruments de Webb, dont l'instrument canadien NIRISS, pour étudier l'évolution des galaxies en groupes (moins d'une centaine) et en amas (plusieurs centaines, voire des milliers) dans l'histoire de l'Univers.

Chris Willott est le chercheur principal de CANUCS, un programme d'observation avec le télescope James Webb qui vise l'étude de certaines des premières galaxies créées et de galaxies en amas. (Source : Chris Willott.)

Pour mieux observer les galaxies les plus lointaines et les moins brillantes, l'équipe de CANUCS se servira d'un effet optique appelé lentille gravitationnelle. La masse et la gravité de certains objets célestes déforment l'espace-temps autour d'eux : la lumière qui passe dans leur voisinage est déviée, mais peut aussi être amplifiée, raison pour laquelle on parle de « lentille » gravitationnelle.

Cette équipe d'astronomes pourra étudier des galaxies très peu lumineuses puisqu'elles paraitront plus brillantes grâce aux lentilles gravitationnelles. Sans ce phénomène, et sans le puissant miroir et les instruments du télescope James Webb, il serait beaucoup plus difficile d'étudier ces galaxies formées quelques centaines de millions d'années seulement après le big bang.

Fruit d'une collaboration internationale entre la NASA, l'Agence spatiale européenne et l'Agence spatiale canadienne, le télescope spatial James Webb est l'observatoire spatial le plus complexe et le plus puissant jamais construit. Le Canada a fourni au télescope deux éléments déterminants : le détecteur de guidage de précision (FGS) et l'imageur dans le proche infrarouge et spectrographe sans fente (NIRISS). En échange de cette contribution, les chercheurs canadiens auront accès à 5 % du temps d'observation offert à la communauté internationale.

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