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JWST : un voyage dans l’espace et le temps

Comment les spectaculaires images du James Webb Space Telescope (JWST) ont-elles été élaborées ? Que révèlent-elles de l’Univers et de son histoire ? Voyage intergalactique en cinq étapes, guidé par l'astrophysicienne Elsa Ducrot (CEA / Irfu), l’artiste graphique astronome Alyssa Pagan (STScI) et l’astrophysicien David Elbaz (CEA)

Réalisation : Sébastien Avila

Production : Universcience

Année de production : 2022

Durée : 9min27

Accessibilité : sous-titres français

JWST : un voyage dans l’espace et le temps

Voici les toutes premières images du télescope spatial James Webb. Publiées les 11 et 12 juillet 2022, elles ont été choisies pour démontrer les capacités incroyables du nouveau télescope. Petite visite guidée en partant de l'image la plus proche de la Terre jusqu'aux confins de l'Univers pour mieux comprendre ce qu'ils contiennent et découvrir au passage quelques secrets de leur fabrication. La première image n'est pas une photo mais le spectre réalisé par l'instrument canadien Niriss d'une exoplanète située à 1150 années-lumière de la Terre. Elsa Ducrot, astrophysicien au CEA et spécialiste des exoplanètes, nous en dit plus. " Là, qu'est-ce qu'on voit ? C'est un graphe, donc c'est un peu un peu moins joli que des belles images. Ça s'appelle un spectre. Donc c'est l'évolution ici d'une profondeur, que je vais détailler, en fonction de la longueur d'onde. Et cette profondeur, c'est ce qu'on appelle la profondeur de transit et un transit c'est quand une planète vient passer devant dans son étoile hôte et qu'elle va cacher un petit peu de la lumière. Donc ça arrive dans de bonnes configurations géométriques. Il y a des planètes qui passent entre nous et leur étoile. Cette planète-là s'appelle WASP-96 b. C'est la 96e trouvée par le survey WASP, et "b" c'est le nom de la première planète. A c'est l'étoile. Ces planètes ont aussi des atmosphères et l'atmosphère n'est pas opaque dans toutes les longueurs d'onde, parce que chaque molécule à son empreinte digitale, absorbe à telle ou telle longueur d'onde et ces empreintes, on les retrouve dans le spectre et donc du coup, parfois l'occultation nous paraît plus profonde. Par exemple, s'il y a de l'eau, alors elle est plus profonde, a une longueur d'onde précise, par exemple 1,3 microns. Et là, c'est ce qu'on voit : on voit l'évolution de la lumière bloquée par la planète, donc cette profondeur de transit, en fonction d'un longueur d'onde, et on voit des structures très très claires qui en fait ont des structures qu'on assimile très bien à de la vapeur d'eau. Ça nous indique qu'il y aurait peut-être des nuages dans l'atmosphère de cette planète qui est quelque chose qu'on ne pensait pas avoir avant. et donc ça remet un peu le mystère là-dessus et ça va être très intéressant de faire un spectre plus gros plus long, avec NIR-Spec par exemple. Moi, c'est ce que j'aurais envie de faire." 2e image, il s'agit de la nébuleuse planétaire de l'Anneau austral situé à 2000 années-lumière de la Terre, Contrairement à son nom, ici, on ne voit pas de planète mais plutôt la mort d'une étoile. "C'est le futur de notre système solaire, lorsque le Soleil aura terminé d'épuiser les réservoirs nucléaires d'hydrogène en son cœur il va avoir son enveloppe qui va s'éloigner comme ça, repoussée par la pression énergétique et là, ce qu'on voit, c'est ce qui est en train de se passer dans cette nébuleuse planétaire : les grains de poussière qui viennent de naître dans l'enveloppe de l'étoile et sur les grains de poussière, des atomes qui se réunissent et qui forment des molécules jusqu'à des molécules relativement complexes qu'on appelle des hydrocarbures aromatiques polycycliques, PAH. C'est le cycle de la vie et de la mort. c'est la mort d'une étoile, d'un système solaire mais en même temps, c'est la naissance de toutes les briques élémentaires qui peuvent conduire à la vie. Avec MIRI, ce qu'on va voir, ce qui est extraordinaire, c'est que ces molécules très complexes lorsqu'elles vivent, lorsqu'on les cogne, elles oscillent, elles rayonnent de la lumière au dessus de 5 micromètres. Donc seul MIRI peut les voir et donc on va cartographier avec cette caméra-là là où sont ces molécules complexes. Quand une grosse masse commence à tourner sur elle-même, il y a une partie qui se détache, comme ça, ça fait 2 étoiles. Il y en a une qui a déjà perdu son enveloppe et puis un autre un peu plus grosse qui tourne autour, qui pourrait aussi un jour perdre son enveloppe, et donc tout ça est vraiment bien résolu avec le James Webb, avec qualité de grain d'image extraordinaire. Alors moi, j'ai été impressionné par la beauté les formes qu'on voit qui sont très très très précises, on a l'impression qu'on peut presque les toucher. Mais ce que j'attends maintenant de voir, c'est si on est capable de trouver la signature de la naissance des molécules et grains de poussière en temps réel et à quel endroit ça se passe, si cela correspond à ce que le modèle prévoit. Donc pour l'instant, elle est essentiellement belle et pour qu'elle soit scientifiquement entre guillemets "révolutionnaire", il va me falloir un petit peu plus de temps. Ce n'est pas mon domaine d'études, donc je vais attendre que mes collègues spécialistes de ce domaine-là le fassent, pour pouvoir répondre à la question et dire "oui, là on a fait quelque chose d'extraordinaire". Potentiellement, il y a de la révolution, mais tant que ce n'est pas prouvé, pour moi, c'est encore un peu trop tôt." 3' image, la fabuleuse nébuleuse de la Carène, située à 7600 années-lumière de la Terre Alyssa Pagan est une artiste avec une formation en astronomie et qui a travaillé à la colorisation de cette image. Pour la 4e image, appelée le Quintette de Stephan, on sort de notre galaxie la Voie lactée. Ici, la lumière que nous voyons a voyagé 290 millions d'années pour nous atteindre. "Oh, 290 millions d'années-lumière, c'est pas grand chose ! C'est même pas un milliard. On peut bien les explorer, on peut bien les regarder en détail. Elles sont suffisamment proches pour être vues. Nous on appelle ça l'Univers proche. Le temps que la lumière nous arrive, on peut dire que ce qu'on voit correspond à peu près à ce qui se passe. Alors c'est un système où il y a du harcèlement galactique. Les galaxies sont harcelées par des hordes d'autres galaxies qui passent les unes à côté des autres, qui s'entre déchirent par les effets de la gravité, mais qui en même temps, engendrent des flambées d'étoiles par les effets de compression liés à la gravité, propulsent de la matière à l'extérieur qui vont donner naissance à des petites galaxies naines. Donc lorsque 2 galaxies se marient, elle donnent naissance à des bébés galaxies. Et puis il y a une onde de choc qui fait que de la matière intergalactique qui se comprime, qui est hyper agitée. On voit naître des molécules d'hydrogène là-dedans, et des étoiles naîtront dans cette région-là et ça c'est système exceptionnel où on peut voir ce qui se passe hors des galaxies tellement elles ont été déchiquetées. Donc là, c'est un test des effets de la gravité, de cette vie tumultueuse des galaxies en société, qui sont perturbées en permanence." Dernière image, avec l'Amas des galaxies SMACS 0723, à 5 milliards d'années-lumière. Cette image est le premier champ profond du télescope James Webb et pourrait contenir la galaxie la plus lointaine jamais observée. "Alors là, ce qu'on voit dans ce chant profond c'est tout un tas de choses. D'abord les galaxies qui sont de couleur la plus rouge sont celles dans la lumière a été décalée vers le rouge du fait de l'expansion de l'Univers et donc c'est sur celles dont la lumière a mis le plus de temps à nous arriver. Donc si elle ont mis le plus de temps nous arriver, contrairement au Quintette de Stephan, on les voit 10, 11, 12, 13 milliards d'années après qu'elles aient envoyé la lumière. Donc maintenant, elles ne sont plus du tout comme ça et on les voit telles qu'elles étaient en tant que bébés galaxies pour les plus lointaines. Et puis ce qu'on voit, c'est un amas de galaxies ce sont des mégalopoles de galaxies qui plient l'espace-temps, l' espace-temps est courbe, et qui fait un effet de loupe. Donc on utilise l'Univers comme une extension du télescope, qui magnifie les images et là on voit qu'à l'intérieur de ces galaxies les détails de naissance d'étoiles et de régions de formation d'étoiles à l'intérieur des galaxies, un peu comme ces pouponnière qu'on voit dans la Voie lactée mais dans des galaxies très lointaines grâce à l'effet de loupe ce qui fait qu'on peut étudier toute l'histoire de la naissance des étoiles mais dans des galaxies très lointaines. On voit des petites galaxies rouges qui sont des galaxies les plus lointaines et on est à la recherche de la galaxie la plus lointaine de l'Univers, peut être qu'elle est dans cette image. Il va falloir décomposer la lumière. Ce qu'ils ont fait, c'est qu'ils ont pris un des petits points rouges, ils ont décomposé sa lumière, ils ont vu qu'il datait de 700 millions d'années après le big bang, c'est pas le record. Donc ils vont continuer à le faire jusqu'à ce qu'on obtienne le record."

Réalisation : Sébastien Avila

Production : Universcience

Année de production : 2022

Durée : 9min27

Accessibilité : sous-titres français