Le télescope spatial James Webb peut-il percer l’horizon de l’univers pour observer des galaxies lointaines ?

Depuis le début de ses transmissions de données vers la Terre en 2022, le télescope spatial James Webb (JWST) a révolutionné le domaine de l’astronomie, notamment par sa capacité à observer certaines des galaxies les plus éloignées jamais détectées. Cependant, il est essentiel de comprendre que la lumière ne voyage pas instantanément ; elle se déplace à environ 300 millions de mètres par seconde dans le vide. Ainsi, nous percevons ces galaxies non pas telles qu’elles sont aujourd’hui, mais comme elles étaient il y a des milliards d’années.

Notre univers est estimé à 13,8 milliards d’années. Par conséquent, on pourrait penser que la galaxie la plus éloignée que nous puissions observer ne se trouve pas à plus de 13,8 milliards d’années-lumière. Ce chiffre représente une sorte d’horizon cosmologique, au-delà duquel aucun télescope ne devrait pouvoir voir. De plus, puisque rien ne peut voyager plus vite que la lumière, il semblerait qu’aucune galaxie située à plus de 13,8 milliards d’années-lumière ne pourrait avoir d’impact sur la Terre. N’est-ce pas ?

En réalité, cette vision est trop simpliste.

« Un horizon cosmologique représente la distance maximale à partir de laquelle nous pourrions potentiellement recevoir des informations », explique Jake Helton, astronome à l’Université de l’Arizona et membre de l’équipe du JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).

« Il existe plusieurs horizons cosmologiques, chacun ayant des définitions différentes et dépendant de divers paramètres cosmologiques. L’horizon cosmologique le plus pertinent ici est celui qui définit la distance maximale à partir de laquelle la lumière a pu voyager jusqu’à nous depuis le début de l’univers. Cela détermine la limite de l’univers observable. »

Une découverte inattendue : JADES-GS-z14-0

En mars 2024, les scientifiques de JADES ont annoncé que le télescope avait détecté JADES-GS-z14-0, la galaxie la plus ancienne et la plus éloignée jamais observée par l’humanité. Le paradoxe réside dans le fait que JADES-GS-z14-0 se trouve à environ 33,8 milliards d’années-lumière de nous.

Comment est-il possible de percevoir la lumière d’un objet si éloigné, alors que l’univers n’est pas assez vieux pour que cette lumière ait pu nous atteindre ? La position de JADES-GS-z14-0, à 33,8 milliards d’années-lumière, ne signifie-t-elle pas que nous la voyons telle qu’elle était il y a 33,8 milliards d’années, ce qui remettrait en question l’estimation de l’âge de l’univers ?

Pas du tout. Cela démontre encore une fois que l’univers a le don de renverser nos conclusions logiques.

« Comment une galaxie aussi lointaine que JADES-GS-z14-0 peut-elle être observée, alors qu’elle se trouve à plus de 13,8 milliards d’années-lumière de nous et que sa lumière aurait pris plus de temps que l’âge de l’univers pour nous atteindre ? » interroge Helton. « La réponse réside dans l’expansion de l’univers. »

Observer une galaxie plus ancienne que le temps lui-même

Si l’univers était statique, alors la lumière d’une galaxie située à 33,8 milliards d’années-lumière mettrait effectivement 33,8 milliards d’années à nous parvenir. Cependant, au début des années 1900, Edwin Hubble a découvert que les galaxies lointaines semblaient s’éloigner les unes des autres, et que plus elles étaient éloignées, plus leur vitesse d’éloignement était rapide. En d’autres termes, l’univers est en expansion.

Cette situation s’est complexifiée en 1998, lorsque deux équipes d’astronomes ont observé que non seulement l’univers est en expansion, mais que cette expansion s’accélère également. La force responsable de cette accélération demeure un mystère, mais elle a été désignée par le terme provisoire de « matière noire ».

Il existe deux périodes majeures et distinctes d’expansion au cours des 13,8 milliards d’années d’histoire de l’univers. La première est une période initiale d’inflation cosmique rapide, communément appelée le « Big Bang ».

Cette époque inflationnaire a vu le volume de l’univers augmenter d’un facteur de 10^26 (10 suivi de 25 zéros). Cela équivaut à faire passer la croissance de votre ongle d’un nanomètre par seconde à une croissance soudaine de 10,6 années-lumière (62 trillions de miles). À cette époque, l’univers était dominé par l’énergie, et cette période est connue sous le nom d’époque dominée par l’énergie.

Après le Big Bang, l’univers a connu une période dominée par la matière, qui a débuté environ 47 000 ans après cet événement cosmique. Au fil du temps, l’expansion de l’univers a permis à la température de diminuer suffisamment pour que les protons se forment à partir des quarks et des gluons. Ces protons se sont ensuite associés aux électrons pour créer les premiers atomes d’hydrogène, donnant naissance aux premières étoiles et galaxies. Pendant cette phase, l’expansion de l’univers, initialement rapide, a ralenti jusqu’à presque s’arrêter.

Cette ère dominée par la matière a pris fin de manière inattendue lorsque l’univers avait moins de 10 milliards d’années. À ce moment-là, l’univers a commencé à s’étendre rapidement à nouveau, et cette expansion s’est intensifiée au fil du temps, continuant même à s’accélérer aujourd’hui. Ce troisième chapitre majeur de l’univers est connu sous le nom d’ère dominée par l’énergie noire, une période dans laquelle nous nous trouvons actuellement.

Grâce à ces phases d’expansion, la lumière provenant de JADES-GS-z14-0 a voyagé vers le télescope spatial James Webb (JWST) et la Terre pendant 13,5 milliards d’années, bien que sa source soit aujourd’hui beaucoup plus éloignée que cette distance. Cela signifie que le JWST observe JADES-GS-z14-0 tel qu’il était 300 millions d’années après le Big Bang. Sans l’expansion de l’univers, JADES-GS-z14-0 resterait à environ 13,5 milliards d’années-lumière, bien qu’il ait subi des mouvements locaux plus petits qui auraient pu le rapprocher ou l’éloigner des galaxies voisines. Cependant, ces mouvements galactiques n’auraient pas été comparables à ceux causés par l’expansion de l’univers.

Selon Helton, l’horizon cosmologique, ou « Horizon des Photons », est une sphère dont la limite se situe à environ 46,1 milliards d’années-lumière, une mesure dictée par l’expansion de l’univers. C’est la limite au-delà de laquelle nous ne devrions pas être capables d’observer une galaxie. La galaxie JADES-GS-z14-0 se trouve effectivement à l’intérieur de cet horizon.

Pour éviter toute confusion, les astronomes utilisent en réalité deux échelles de mesure des distances : une distance co-mouvante qui ne prend pas en compte l’expansion de l’univers et une distance propre qui l’inclut. Ainsi, la distance co-mouvante de JADES-GS-z14-0 est de 13,5 milliards d’années-lumière, tandis que sa distance propre est de 33,8 milliards d’années-lumière.

Il est important de noter que JADES-GS-z14-0 et d’autres galaxies anciennes et lointaines ne seront pas toujours visibles.

Une époque privilégiée avec le télescope spatial James Webb

Le fait que le JWST puisse observer JADES-GS-z14-0 signifie qu’il était autrefois « causalement connecté » à la Terre et à notre univers local. En d’autres termes, un signal provenant de JADES-GS-z14-0 a pu atteindre notre galaxie, ce qui signifie qu’une « cause » dans cette galaxie, existant à l’aube du temps, pourrait avoir un « effet » dans notre galaxie à l’époque moderne de l’univers.

« Toute galaxie observable doit se situer à l’intérieur de l’horizon des particules et doit avoir été causale avec nous à un moment donné de l’histoire de l’univers », a déclaré Helton.

Cependant, ce n’est plus le cas aujourd’hui. Des galaxies comme JADES-GS-z14-0 et d’autres galaxies découvertes par JADES sont désormais si éloignées et s’éloignent de nous si rapidement, grâce à l’énergie noire, qu’aucun signal provenant d’elles, envoyé aujourd’hui, ne pourrait jamais nous atteindre. Cela s’explique par le fait que l’horizon des photons s’éloigne de nous à la vitesse de la lumière, mais pour des objets très éloignés, l’espace entre la Voie lactée et ces galaxies s’étend plus vite que la lumière. Cela peut sembler incroyable, car la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein fixe la vitesse de la lumière comme une limite universelle. Cependant, cette règle s’applique aux objets ayant une masse se déplaçant dans l’espace, et non à la structure même de l’espace.

Dans environ 2 trillions d’années, après que la Terre et l’humanité aient disparu, l’expansion de l’univers signifiera que toute espèce intelligente qui pourrait nous remplacer dans la Voie lactée (si cela devait arriver) ne pourra pas observer les galaxies situées au-delà de notre groupe local, qui a un diamètre d’environ 10 millions d’années-lumière.

C’est une pensée troublante, et cela signifie que l’humanité vit à un moment unique dans l’histoire de l’univers, où les galaxies les plus lointaines sont encore visibles. Nous avons la capacité de comprendre davantage l’univers et ses origines que toute vie intelligente qui pourrait nous succéder. Les astronomes, y compris Helton, prévoient d’utiliser le JWST pour tirer pleinement parti de ce privilège cosmique.

« Travailler avec le JWST et la collaboration JADES a été incroyable », a déclaré Helton. « Rédiger des articles scientifiques avec le JWST, comme mon récent sur JADES-GS-z14-0, a été l’expérience la plus enrichissante et excitante de ma carrière de recherche. »