Images de science : les 10 images qui ont démontrées la puissance du télescope James-Webb en 2022

Colin Jacobs, Swinburne University of Technology et Karl Glazebrook, Swinburne University of Technology

Le télescope spatial James-Webb a ouvert une nouvelle ère pour l’astronomie.

Lancé le 25 décembre 2021 et pleinement opérationnel depuis juillet, le télescope James-Webb offre des aperçus de l’univers qui étaient auparavant inaccessibles. Comme le télescope spatial Hubble avant lui, le James-Webb se trouve dans l’espace, ce qui lui permet de prendre des photos d’une précision étonnante, sans les distorsions de l’atmosphère terrestre.

Alors que Hubble est en orbite autour de la Terre à une altitude de 540 kilomètres, le James-Webb se trouve à 1,5 million de kilomètres, bien au-delà de la Lune. De cette position, loin des interférences de la chaleur réfléchie par notre planète, il peut collecter la lumière de l’univers jusque dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique.

Cette position dans l’espace s’allie au gigantesque miroir du James-Webb, à ces détecteurs de pointe et à de nombreuses autres avancées technologiques, pour permettre aux astronomes de remonter jusqu’aux époques les plus reculées de l’histoire de l’univers.

En effet, l’univers se dilate (on parle d’« expansion »), ce qui étire la longueur d’onde de la lumière qui se dirige vers nous, et les objets plus éloignés apparaissent plus rouges. À des distances suffisamment grandes, la lumière d’une galaxie est entièrement déplacée, depuis la partie visible du spectre électromagnétique vers l’infrarouge. Le James-Webb est capable de sonder ces sources de lumière jusqu’aux temps les plus reculés, il y a près de 14 milliards d’années.

Le télescope Hubble reste un excellent instrument scientifique et peut voir à des longueurs d’onde optiques auxquelles le James-Webb n’a pas accès. Mais le télescope James-Webb peut voir beaucoup plus loin dans l’infrarouge avec une sensibilité et une netteté accrues.

Voici dix des images qui ont démontré la puissance stupéfiante de notre nouvelle fenêtre ouverte sur l’univers.

1. L’alignement des miroirs est terminé

Malgré des années de tests au sol avant le lancement, un observatoire aussi complexe doit être configuré et testé de façon approfondie une fois déployé dans l’espace.

Il a d’abord fallu déplier et aligner les 18 segments hexagonaux du miroir à une fraction de longueur d’onde de lumière près. En mars, la NASA a publié la première image prise avec le miroir entièrement aligné. Bien qu’il ne s’agisse que d’une image d’étalonnage, centrée sur une étoile, les astronomes l’ont immédiatement comparée aux images existantes de cette partie du ciel avec beaucoup d’enthousiasme.

2. Spitzer contre MIRI

Cette image, prise pendant la mise au point des caméras, est une démonstration spectaculaire de l’amélioration de la qualité des données du James-Webb par rapport à ses prédécesseurs.

À gauche, une image du télescope spatial Spitzer, un observatoire infrarouge spatial doté d’un miroir de 85 centimètres ; à droite, le même champ pris par la caméra MIRI et le miroir de 6,5 mètres du James-Webb. On distingue des centaines de galaxies qui étaient perdues dans le bruit des détecteurs du télescope Spitzer, ce qui illustre encore la résolution et la capacité à détecter des sources beaucoup moins lumineuses du James-Webb, grâce à son miroir plus grand situé dans le noir – et surtout dans le froid.

3. La première image d’amas de galaxies

L’amas de galaxies répondant au doux nom de « SMACS J0723.3-7327 » était un bon choix pour les premières images couleur diffusées au public.

Le champ est encombré de galaxies de toutes formes et couleurs. La masse combinée de cet énorme amas de galaxies, situé à plus de 4 milliards d’années-lumière, déforme l’espace de telle sorte que la lumière provenant de sources lointaines à l’arrière-plan est étirée et amplifiée, un effet connu sous le nom de « lentille gravitationnelle ».

Ces galaxies déformées en arrière-plan sont clairement visibles sous forme de lignes et d’arcs sur cette image. Le champ est déjà spectaculaire sur les images de Hubble, à gauche, mais l’image proche infrarouge du James-Webb, à droite, révèle une multitude de détails supplémentaires, notamment des centaines de galaxies lointaines trop faibles ou trop rouges pour être détectées par son prédécesseur.

4. Le quintette de Stephan

Ces images représentent un groupe spectaculaire de galaxies connu sous le nom de « quintette de Stephan », un groupe qui intéresse depuis longtemps les astronomes qui étudient la façon dont les galaxies en collision interagissent gravitationnellement les unes avec les autres.

À gauche, l’image de Hubble et à droite celle du James-Webb dans l’infrarouge moyen ; avec un zoom avant sur une petite galaxie en arrière-plan. Sur l’image de Hubble, nous voyons quelques régions brillantes de formation d’étoiles, mais ce n’est qu’avec le James-Webb que les structures complètes de cette galaxie et des galaxies environnantes sont dévoilées.

5. Les piliers de la création

« Les piliers de la création » est l’une des images les plus iconiques de toute l’astronomie, prise par Hubble en 1995. Elle démontre l’extraordinaire portée d’un télescope spatial.

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Elle représente une région de formation d’étoiles dans la nébuleuse de l’Aigle, où le gaz et la poussière interstellaires constituent la toile de fond d’une pouponnière d’étoiles regorgeant de nouvelles étoiles. L’image de droite, prise à l’aide de la caméra proche infrarouge du JWST (NIRCam), illustre un autre avantage de l’astronomie infrarouge : la possibilité de regarder à travers le voile de poussière et de voir ce qui se trouve à l’intérieur et derrière.

6. La protoétoile du sablier

Cette image montre un autre acte de création galactique au sein de la Voie lactée. Cette structure en forme de sablier est un nuage de poussière et de gaz entourant une étoile en cours de formation : une protoétoile appelée L1527 IRS.

Un « disque d’accrétion » de matière tombant vers l’intérieur (la bande noire au centre, visible seulement dans l’infrarouge) permettra finalement à la protoétoile de rassembler suffisamment de masse pour commencer à fusionner l’hydrogène, et une nouvelle étoile naîtra.

Entre-temps, la lumière de l’étoile encore en formation éclaire le gaz au-dessus et au-dessous du disque, ce qui lui donne la forme d’un sablier. Notre précédente image de cet objet avait été prise par le télescope spatial Spitzer ; la quantité de détails est une fois de plus un énorme bond en avant.

7. Jupiter dans l’infrarouge

La mission du nouveau télescope spatial comprend l’imagerie des galaxies les plus lointaines du début de l’univers, mais il peut également regarder un peu plus près de chez lui.

Bien que le James-Webb ne puisse pas observer la Terre ou les planètes du système solaire interne – car il doit toujours tourner le dos au Soleil – il peut regarder les parties plus lointaines de notre système solaire. Cette image de Jupiter dans le proche infrarouge en est un bel exemple, puisqu’elle montre en profondeur la structure des nuages et des tempêtes de la géante gazeuse. La lueur des aurores aux pôles nord et sud est obsédante.

Cette image était extrêmement difficile à réaliser en raison du mouvement rapide de Jupiter dans le ciel par rapport aux étoiles et de sa vitesse de rotation rapide. Ce succès a prouvé la capacité du télescope Webb à suivre extrêmement bien des cibles astronomiques difficiles.

8. La galaxie fantôme

Ces images de la galaxie du fantôme ou M74 révèlent la puissance du James-Webb, non seulement en tant que plus récent et meilleur instrument astronomique, mais aussi en tant que complément précieux à d’autres grands outils. Le panneau central combine la lumière visible de Hubble et infrarouge de Webb, ce qui permet de voir comment la lumière des étoiles (Hubble), le gaz et la poussière (James-Webb) façonnent ensemble cette remarquable galaxie.

Une grande partie de la science du James-Webb est conçue pour être combinée avec les images optiques de Hubble (et d’autres types d’images), afin de tirer parti de ce principe.

9. Une galaxie ultimement lointaine

Cette galaxie, la petite tache rouge sur l’image de droite, ne fait certes pas partie des visions les plus spectaculaires que notre univers ait à offrir, mais elle est extrêmement intéressante sur le plan scientifique.

Cet instantané date de l’époque où l’univers n’avait que 350 millions d’années, ce qui en fait l’une des toutes premières galaxies à s’être formées. Comprendre les détails de la croissance et de la fusion de ces galaxies pour créer des galaxies telles que notre Voie lactée 13 milliards d’années plus tard est une question clé, qui comporte encore de nombreux mystères, ce qui rend des découvertes comme celle-ci très recherchées.

C’est également une image que seul le James-Webb peut nous offrir. Les astronomes ne savaient pas vraiment à quoi s’attendre : une image de cette galaxie prise par Hubble semblerait vide, car la lumière de la galaxie est étirée loin dans l’infrarouge par l’expansion de l’univers.

10. L’« amas de Pandore », superamas de galaxies

Pour créer cette mosaïque, plusieurs images individuelles ont été assemblées. Elle est centrée sur l’amas géant de galaxies Abell 2744, familièrement connu sous le nom d’« amas de Pandore » (image complète ici). Le nombre et la variété des sources que le James-Webb peut détecter sont stupéfiants. À l’exception d’une poignée d’étoiles à l’avant-plan, chaque point lumineux représente une galaxie entière.

Le morceau de ciel que l’on observe ici n’est pas plus grand qu’une fraction de la pleine Lune, mais on y voit des milliers de galaxies – ce qui donne le vertige quant à la taille de l’univers dans lequel nous vivons. Les astronomes professionnels et amateurs peuvent passer des heures à scruter cette image à la recherche de bizarreries et de mystères.

Dans les années à venir, la capacité du James-Webb à regarder si loin et si profondément dans l’univers nous permettra de répondre à de nombreuses questions sur la façon dont nous sommes nés. Les découvertes et les questions que nous ne pouvons pas encore prévoir sont tout aussi passionnantes. Seul ce nouveau télescope peut soulever le voile du temps, et ces questions inconnues seront sans nul doute fascinantes.

Colin Jacobs, Postdoctoral Researcher in Astrophysics, Swinburne University of Technology et Karl Glazebrook, ARC Laureate Fellow & Distinguished Professor, Centre for Astrophysics & Supercomputing, Swinburne University of Technology

Nous remercions les auteurs ainsi que The Conversion pour l'autorisation de republication.