Principal AstronomieQue verra le télescope spatial James Webb? Un tas de poussière, c'est ça

Que verra le télescope spatial James Webb? Un tas de poussière, c'est ça

Astronomie : Que verra le télescope spatial James Webb?  Un tas de poussière, c'est ça

En ce qui concerne les premières galaxies, le télescope spatial James Webb tentera de comprendre la formation de ces galaxies et leur lien avec la matière noire sous-jacente. Au cas où vous ne le sauriez pas, la majeure partie de la matière de notre univers est invisible (ou «sombre»), mais sa gravité lie tout, même les galaxies. Donc, en étudiant les galaxies - et en particulier leur formation - nous pouvons obtenir des indications sur le fonctionnement de la matière noire. Au moins, c'est l'espoir. Il s'avère que l'astronomie est un peu plus compliquée que cela, et l'un des principaux problèmes auxquels nous devons faire face lorsque nous étudions ces galaxies lointaines est la poussière. Beaucoup de poussière.

C'est vrai: bonne poussière à l'ancienne. Et grâce à des simulations sophistiquées, nous commençons à clarifier la situation.

Que la lumière soit

Les galaxies ont commencé à se former il y a très longtemps, quelques centaines de millions d'années seulement dans l'histoire de notre univers. Mais jusqu'à présent, nous n'avons aucune image directe de ces premières galaxies. Ils sont simplement trop loin pour que leur lumière nous parvienne sans un télescope massif. De plus, parce qu'ils sont si éloignés et que l'univers s'est élargi depuis que leur lumière a été émise, ils ne brillent plus à la lumière visible. Leur lumière a été réduite au spectre infrarouge. Donc, pour avoir la moindre chance de cartographier ces galaxies infantiles, nous avons besoin d’un grand télescope infrarouge. Entrez le James Webb.

L’instrument d’enquête James Webb; il ne cartographiera pas un volume incroyablement grand de l'univers. Mais cela nous donnera certainement des portraits de ce qu’était l’univers il y a plus de 13 milliards d’années, et plus particulièrement de ce qu’était ces jeunes galaxies. Et la structure et la composition de ces galaxies dépendent de la matière noire sous-jacente. La quantité de matière noire, sa composition exacte et la manière dont elle décide de se grouper ont une incidence sur la formation des galaxies. Ces propriétés (actuellement inconnues) de la matière noire modifient le nombre de galaxies, leur luminosité et même les types d'étoiles qu'elles hébergent.

Cependant, cette connexion entre les galaxies et la matière noire n’est vraiment comprise que dans les simulations. C'est parce que nous n'avons pas beaucoup d'observations directes de matière noire (comme si le nom lui-même ne vous donnait pas d'indice). En bref, nous ne comprenons pas bien ce qu'est la matière noire. Nous devons donc parfois deviner, et nous intégrons ces hypothèses dans une simulation informatique de la croissance de l'univers, et nous voyons comment une matière normale telle que les étoiles, le gaz et la poussière réagissent à cela et forment des galaxies.

Qu'il y ait de la poussière

Ainsi, en comparant les images réelles et les statistiques des galaxies révélées par James Webb à nos différentes simulations, nous pouvons espérer trouver le meilleur match et choisir le modèle de matière noire le plus précis. À partir de là, vous pourrez en apprendre davantage sur l’univers, par exemple en recherchant des modèles de gravité exotiques ou même en découvrant la mystérieuse nature de l’énergie noire (qui est un article entièrement séparé).

Cela semble simple mais ce n’est pas le cas. Les observations dans l’univers sont très compliquées et compliquées, et généralement très difficiles, car notre univers ne se limite pas à de simples étoiles et galaxies, à la matière noire et au télescope spatial James Webb.

Il y a aussi de la poussière. Beaucoup.

La poussière est constituée de chaînes de carbone et d'oxygène et plus encore, tourbillonnant à l'intérieur des galaxies, autour des galaxies et entre les galaxies. Il s'avère que l'espace intergalactique est un endroit assez désordonné. Il y a juste de la poussière. Et la poussière dérange avec la lumière.

Lorsque la lumière provenant de ces galaxies lointaines traverse des milliards d’années-lumière pour atteindre James Webb, elle coupe beaucoup de poussière. Cette poussière va la disperser, l'affaiblir et aussi la redshift. En d'autres termes, si nous essayons de comprendre à quoi ressemblent ces jeunes galaxies, nous ne pouvons les voir que dans un brouillard flou. Nous n’avons donc pas - et n’aurons jamais - d’images directes claires de l’univers primitif.

Encore une fois, des simulations à la rescousse.

Un exemple illustratif

Mais cette fois, les simulations ont une aide supplémentaire. Ils ont de vraies données en direct pour travailler. Pas des données de l'univers primitif (car nous ne les avons pas encore), mais des données de l'univers proche. Nous avons construit des cartes et des observations et étudié dans une mesure ridicule les propriétés de la poussière entre les galaxies de notre parcelle locale du cosmos. Ces données sont ensuite intégrées aux simulations de l’univers pour essayer de faire des prévisions aussi précises que possible de ce que James Webb verra réellement.

C'est comme si vous preniez des échantillons du brouillard autour de vous pour essayer de comprendre à quoi ressemble un phare lointain.

Illustration du télescope spatial James Webb de la NASA. Crédits: NASA

Récemment, une équipe de chercheurs a publié les résultats d’une série de simulations appelée Illustris. Comme son nom l'indique, ces simulations sont incroyablement sophistiquées et impliquent non seulement la matière noire et la formation de galaxies, mais simulent même la lumière émise par ces galaxies lorsqu'elle traverse des milliards d'années-lumière de poussière pour aboutir à quelque chose comme James Webb.

L'objectif principal des simulations était de prédire ce que James Webb verra dans ce que les astronomes appellent la fonction de luminosité de la galaxie. C'est juste une façon élégante de dire combien de galaxies de chaque niveau de luminosité seront vues: combien de réellement brillantes, combien de moyennes-brillantes, combien de plus faibles, etc. La fonction de luminosité de la galaxie est influencée par les propriétés de la matière noire: par exemple, si la matière noire se sent particulièrement grumeleuse, notre univers aura des galaxies plus lumineuses et cela modifiera cette fonction de luminosité.

Une image composite d'IllustrisTNG. Les panneaux de gauche montrent les interactions entre galaxies et la structure à grain fin des halos stellaires étendus. Les panneaux à droite montrent les projections lumineuses stellaires de deux immenses galaxies centrales de nos jours. Il est facile de voir comment la lumière des galaxies centrales massives l'emporte sur celle des halos stellaires. Image: IllustrisTNG

Mais la fonction de luminosité elle-même est également influencée par la poussière, car elle modifie toute la lumière émise par toutes les galaxies. Ces simulations sont parmi les premières tentatives visant à fournir une image complète reliant ce que James Webb verra (en d’autres termes, ce que les données seront réellement) à la physique sous-jacente de la formation de la matière noire et des galaxies.

Bien sûr, ce n’est que le premier pas; ces simulations impliquent de nombreuses hypothèses et hypothèses basées sur les observations actuelles. Mais je suis sûr que lorsque James Webb volera, nous aurons beaucoup plus de données et beaucoup de simulations à notre actif.

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