Des astronomes de l'Université d'Arizona ont appris davantage sur une galaxie étonnamment mature qui existait lorsque l'univers avait un peu moins de 300 millions d'années, soit seulement 2 % de son âge actuel.
Les résultats, publiés dans la revue Nature Astronomy , s'appuient sur la découverte précédente des chercheurs, rapportée en 2024, de JADES-GS-z14-0 comme la galaxie la plus éloignée jamais observée. Alors que la découverte initiale établissait la distance record de la galaxie et sa luminosité inattendue, cette nouvelle recherche approfondit sa composition chimique et son état évolutif.
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES, un programme majeur du télescope spatial James Webb conçu pour étudier les galaxies lointaines.
Il ne s’agit pas d’une découverte inattendue, a déclaré Kevin Hainline, co-auteur de la nouvelle étude et professeur de recherche associé à l’observatoire Steward de l’Université de l’Alberta. L’étude avait été délibérément conçue pour trouver des galaxies lointaines, mais celle-ci a battu les records de l’équipe d’une manière qu’elle n’avait pas anticipée : elle était intrinsèquement brillante et avait une composition chimique complexe totalement inattendue à ce stade précoce de l’histoire de l’univers.
« Ce n’est pas juste une petite pépite. C’est brillant et assez étendu pour l’âge de l’univers lorsque nous l’avons observé », a déclaré Hainline.
« Le fait que nous ayons trouvé cette galaxie dans une toute petite région du ciel signifie qu'il devrait y en avoir davantage », a déclaré Jakob Helton, auteur principal de l'étude et chercheur diplômé à l'observatoire Steward. « Si nous observions l'ensemble du ciel, ce que nous ne pouvons pas faire avec le JWST, nous finirions par trouver davantage de ces objets extrêmes. »
L’équipe de recherche a utilisé plusieurs instruments à bord du JWST, notamment la caméra proche infrarouge, ou NIRCam, dont la construction a été dirigée par Marcia Rieke, professeure d’astronomie à l’Université de l’Alberta. Un autre instrument du télescope, l’instrument à infrarouge moyen (MIRI), a révélé quelque chose d’extraordinaire : d’importantes quantités d’oxygène.
En astronomie, tout ce qui est plus lourd que l'hélium est considéré comme un « métal », a expliqué Helton. De tels métaux nécessitent des générations d'étoiles pour être produits. L'univers primitif ne contenait que de l'hydrogène, de l'hélium et des traces de lithium. Mais la découverte d'une quantité importante d'oxygène dans la galaxie JADES-GS-z14-0 suggère que la galaxie formait des étoiles depuis potentiellement 100 millions d'années avant d'être observée.
Pour produire de l'oxygène, la galaxie a dû naître très tôt, car elle aurait dû former une génération d'étoiles, a déclaré George Rieke, professeur d'astronomie à la Regents University et auteur principal de l'étude. Ces étoiles ont dû évoluer et exploser en supernovae pour libérer de l'oxygène dans l'espace interstellaire , à partir duquel de nouvelles étoiles se seraient formées et auraient évolué.
« C'est un cycle très compliqué que d'obtenir autant d'oxygène que cette galaxie en possède. C'est donc tout simplement ahurissant », a déclaré Rieke.
Cette découverte suggère que la formation des étoiles a commencé encore plus tôt que ce que les scientifiques pensaient auparavant, ce qui repousse la chronologie de la formation des premières galaxies après le Big Bang.
L'observation a nécessité environ neuf jours de télescope, dont 167 heures d'imagerie NIRCam et 43 heures d'imagerie MIRI, focalisées sur une partie incroyablement petite du ciel.
Les astronomes de l’Université de l’Alberta ont eu de la chance que cette galaxie se trouve à l’endroit idéal pour qu’ils puissent l’observer avec MIRI. S’ils avaient pointé le télescope d’une fraction de degré dans n’importe quelle direction, ils auraient manqué ces données cruciales dans l’infrarouge moyen, a déclaré Helton.
« Imaginez un grain de sable au bout de votre bras. Vous voyez à quel point il est grand dans le ciel – c'est à ce point que nous l'avons vu », a déclaré Helton.
L’existence d’une galaxie aussi développée si tôt dans l’histoire cosmique sert de cas test puissant pour les modèles théoriques de formation des galaxies.
« Notre implication ici est le résultat du fait que l'Université de l'Alberta est leader en astronomie infrarouge depuis le milieu des années 60, époque à laquelle elle a débuté. Nous avions le premier grand groupe d'astronomie infrarouge au sein du laboratoire lunaire et planétaire, avec Gerard Kuiper, Frank Low et Harold Johnson », a déclaré Rieke.
À mesure que les humains acquièrent la capacité d’observer et de comprendre directement les galaxies qui existaient pendant l’enfance de l’univers, cela peut fournir des informations cruciales sur la façon dont l’univers a évolué des éléments simples à la chimie complexe nécessaire à la vie telle que nous la connaissons.
« Nous vivons une époque incroyable dans l'histoire de l'astronomie », a déclaré Hainline. « Nous sommes capables de comprendre des galaxies qui dépassent de loin tout ce que les humains ont jamais découvert, de les voir de différentes manières et de vraiment les comprendre. C'est vraiment magique. »
Plus d'informations : Jakob M. Helton et al., Détection photométrique à 7,7 μm d'une galaxie au-delà du décalage vers le rouge 14 avec JWST/MIRI, Nature Astronomy (2025). DOI : 10.1038/s41550-025-02503-z
Par Niranjana Rajalakshmi, Université de l'Arizona. Fourni par l'Université de l'Arizona
