Comment savons-nous à quelle distance et à quelle heure se trouvent les galaxies dans l’univers ?
Depuis qu’il a commencé à présenter ses premiers résultats en juillet 2022, le télescope spatial James Webb (JWST) fournit des images étonnantes de l’univers qui incluent des observations des galaxies les plus lointaines et les plus anciennes que nous ayons jamais vues. Mais comment savons-nous qu’ils ont vraiment grandi?
Récemment, il a été confirmé que JWST avait déjà été remarqué Quatre des galaxies les plus lointaines et donc les plus anciennes connu à ce jour, qui existait il y a 13,8 milliards d’années être Il n’avait pas plus de 350 millions d’années.
et le Télescope spatial James Webb Pas le seul à repérer tôt de longues distances galaxies. En décembre 2022, il est sorti Grand réseau Atacama millimètre / mètre (ALMA) a repéré une vieille lumière radio similaire une étoile rassemblements. Cette lumière a commencé son voyage vers nous quand être Il avait moins de 360 millions d’années.
à propos de: Comment sont réalisées les images du télescope spatial Hubble ?
Mais comment les scientifiques peuvent-ils être sûrs que les galaxies qu’ils voient sont si éloignées et proviennent d’une ère ancienne de l’histoire cosmique ? Sûrement, vu la difficulté de mesurer la distance dans l’espace, ces galaxies pourraient être plus proches, et donc plus récentes ?
Il s’avère qu’il existe plusieurs façons pour les astronomes de vérifier les mesures de distance et de temps, même pour les galaxies situées au bord de notre horizon cosmique.
Pourquoi regarder ailleurs signifie-t-il aussi regarder en arrière dans le temps ?
Le lien entre le temps et la distance dans l’espace vient du fait que la lumière ne voyage pas instantanément. Au lieu de cela, la lumière se déplace dans le vide à une vitesse approximativement finie 3,0 x10⁸ mètres par secondeNe vous inquiétez pas de vous en souvenir cependant, les scientifiques l’appellent généralement c.
Cela signifie que tout ce que nous regardons, aussi proche soit-il, est vu à un moment donné dans le passé. Pour des choses comme le chat du voisin qui envahit à nouveau votre jardin, le temps qui s’écoule entre le départ de la lumière et son arrivée à nos yeux est négligeable. Le temps de trajet de la lumière commence seulement à faire une différence tangible lorsque l’on regarde les choses dans l’espace.
La façon la plus naturelle de penser à cela est peut-être en termes de source de lumière la plus omniprésente sur Terre, qui est le soleil. Le soleil est à environ 93 millions de miles (150 millions de kilomètres) sur ou autour 8,33 minutes-lumière de la Terre (Ouvre dans un nouvel onglet), ce qui signifie que nous voyons toujours le Soleil tel qu’il était il y a environ 8 minutes et 20 secondes. Si le soleil devait s’allumer soudainement, la Terre ne sombrerait pas dans l’obscurité pendant environ 8 minutes. surveiller sur Uranusqui est 20 fois plus éloignée de l’étoile que la Terre, ne remarquera pas 2 heures 40 minutes. (Ouvre dans un nouvel onglet)
Ce temps de transmission de la lumière devient vraiment important lorsque nous commençons à regarder l’univers avec des outils puissants comme JWST, ALMA et Le télescope spatial Hubble.
Par exemple, la galaxie la plus éloignée observée par Hubble est GN-z11 (Ouvre dans un nouvel onglet)Soit environ 13,4 milliards Années lumière loin. Cela signifie que la lumière voyage jusqu’à nous depuis plus de 13 milliards d’années et Hubble nous permet de la voir telle qu’elle était après 300 à 400 millions d’années après le Big Bang. Beaucoup de choses peuvent arriver à cette lumière pendant les milliards d’années qu’elle traverse l’univers pour nous atteindre, et ces effets sont essentiels pour confirmer l’âge et la distance de ces objets.
Qu’est-ce que le décalage vers le rouge et comment mesurer l’âge et la distance ?
L’univers n’est pas statique, il est en expansion, et à mesure que cette expansion progresse, l’espace entre les galaxies s’étire comme un ballon en caoutchouc gonflé, qui à son tour affecte la lumière (Ouvre dans un nouvel onglet) voyager à travers elle.
Bien que la lumière soit composée de particules appelées photons, elle a également une nature ondulatoire. Les physiciens appellent cette division « Dualité particule-onde ». (Ouvre dans un nouvel onglet) Comme toutes les ondes, la lumière a une longueur d’onde – la distance entre deux « pics » le long de la longueur d’onde – et une fréquence – le nombre de fois qu’un pic passe par un point spécifique chaque seconde – qui sont inversement proportionnelles l’une à l’autre et liées à l’énergie la lumière porte.
Ainsi, par exemple, la lumière à ondes longues, comme les ondes radio, a une basse fréquence et une faible énergie, tandis que la lumière à ondes courtes, les rayons X par exemple, a une haute fréquence et une haute énergie. le Champ électromagnétique Elle s’étend de la lumière à grande longueur d’onde comme les micro-ondes, les ondes radio et l’infrarouge à la lumière à courte longueur d’onde comme les rayons X et les rayons gamma, qui sont les formes de lumière les plus énergétiques.
L’expansion de l’univers provoquant l’éloignement des galaxies les unes des autres, avec des objets éloignés se déplaçant plus rapidement. Il en résulte qu’une longueur d’onde de lumière est « étirée » vers les fréquences plus longues et plus rouges du spectre électromagnétique. Ce phénomène est appelé « Redshift ».
Plus une galaxie est éloignée, et donc plus loin dans le temps, plus la lumière visible d’origine est décalée vers le proche infrarouge voire l’infrarouge. C’est pourquoi le JWST voit l’univers dans l’infrarouge et le proche infrarouge. C’est la meilleure façon de voir les galaxies très anciennes et lointaines.
Le décalage vers le rouge est mesuré en z (Ouvre dans un nouvel onglet) Avec des valeurs plus grandes indiquant un décalage vers le rouge plus important, les premières galaxies ont donc une valeur z élevée. Par exemple, la plus ancienne galaxie observée par Hubble GN-z11 (Ouvre dans un nouvel onglet) Il a un z-11.1. Les quatre plus anciennes galaxies observées par JWST, dont certaines sont plus éloignées et plus anciennes que celle de Hubble, JADES-GS-z10–0, JADES-GS-z11–0, JADES-GS-z12–0 et JADES -GS -z13–0, ont un az compris entre 10,3 et 13,2.
Ce que révèle la lumière antique
Un moyen important de calibrer cette méthode de mesure des distances cosmiques est appelé Analyse spectrale (Ouvre dans un nouvel onglet) Ce qui révèle également des informations sur ces premières galaxies. La spectroscopie tire parti du fait que différents éléments chimiques émettent et absorbent de la lumière à une longueur d’onde spécifique. Cela signifie que la lumière des galaxies et des étoiles lointaines porte « l’empreinte » des éléments qui les composent.
Les scientifiques regardent la longueur d’onde de la lumière qu’un élément comme l’oxygène émet et absorbe dans un laboratoire ici sur Terre et la comparent à ce qu’ils voient dans l’univers. L’oxygène, par exemple, provoque un avantage dans la lumière (Ouvre dans un nouvel onglet) Il s’appelle OIII avec une longueur d’onde de 88 micromètres ici sur Terre. Quand ALMA a regardé les spectres d’une galaxie lointaine, les astronomes ont vu OIII à une longueur d’onde plus longue, 1160 micromètres, ce qui signifie qu’il était définitivement décalé vers le rouge.
A partir de la différence de longueur d’onde entre le laboratoire et les observations astronomiques, il est facile de calculer le redshift. Donc, pour cette galaxie ALMA, z = (1160–88) / 88 = 12,2, cela signifie que la galaxie a un décalage vers le rouge de 12,2. Avec quelques calculs intelligents, cette valeur z révèle que la galaxie est vue telle qu’elle était lorsque l’univers n’avait que 360 millions d’années.
La signature chimique des galaxies lointaines peut être utilisée pour confirmer la période de temps pendant laquelle les galaxies sont autrement vues.
Les premières galaxies manquaient de bling
L’univers primitif était une mer d’hydrogène et d’hélium avec quelques éléments plus lourds, que les astronomes appelaient des « métaux » comme l’oxygène et l’azote. Ces premières étoiles dans les premières galaxies étaientPauvre en minéraux (Ouvre dans un nouvel onglet)Parce qu’il n’y avait pas beaucoup d’éléments lourds à combiner.
Les premières étoiles transformaient l’hydrogène en hélium par fusion nucléaire puis transformaient l’hélium en éléments plus lourds, et lorsqu’elles eurent épuisé ce combustible nucléaire, elles ne pouvaient plus se soutenir contre la pression interne de la gravité. Cela a provoqué l’effondrement des noyaux de ces étoiles, provoquant des explosions massives de supernova, qui dispersent les éléments lourds forgés à travers leurs galaxies hôtes.
sont devenus les restes de ces étoiles Les éléments constitutifs de la prochaine génération de superstars (Ouvre dans un nouvel onglet)Et Qui était plus riche en minéraux que la génération précédente. Le processus se poursuit à ce jour, créant des étoiles et des galaxies plus riches en métal à chaque génération.
Cela signifie que les astronomes peuvent regarder les spectres lumineux de la galaxie pour voir à quel point les éléments lourds sont abondants pour obtenir une image de l’âge de l’univers dans lequel ils sont vus. S’il manque de minéraux, cela confirme qu’il s’agit très probablement d’une galaxie de l’univers primitif.
quelques explosions cosmiques d’étoiles mourantes, supernovae de type Ia, (Ouvre dans un nouvel onglet) Ils ont un rendement lumineux si uniforme qu’ils sont appelés « bougies standard ». Cela signifie que regarder le décalage vers le rouge des spectres de ces supernovae est un bon moyen de calculer la distance à travers l’univers, et aide ainsi à confirmer à quelle distance se trouvent certaines galaxies et à quel point nous les voyons « récemment ».
Sources supplémentaires
Le décalage vers le rouge est un outil d’une importance vitale pour les astronomes et révèle également une physique fascinante concernant la lumière et la composition d’une variété de corps célestes. Vous pouvez lire à ce sujet ici (Ouvre dans un nouvel onglet).
La dualité particules-ondes est un élément fascinant et apparemment paradoxal de la nature qui constitue la base de la mécanique quantique, s’étendant au-delà des photons à la matière physique comme les électrons et même des particules aussi petites que les « buckyballs » de carbone 60. Vous pouvez lire à ce sujet ici (Ouvre dans un nouvel onglet).
indice
NASA Webb fournit l’image infrarouge la plus profonde de l’univers à ce jour, NASA, [2022]Et [https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-delivers-deepest-infrared-image-of-universe-yet]
Loin loin : à quelle distance se trouve cette galaxie ? NRAO, [2023]Et [https://public.nrao.edu/news/far-far-away-just-how-distant-is-that-galaxy/]
Redshift et la loi de Hubble, Starchild NASA, disponible ici. [accessed 04/06/23]Et [https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/redshift.html]
Transformation Doppler, Centre de vol Goddard de la NASA, Imaginez l’univers, [accessed 04/06/23]Et [https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/yba/M31_velocity/spectrum/doppler_more.html]
Analyse spectrale : lire l’arc-en-ciel, site Hubble de la NASA, disponible ici. [accessed 04/06/23]Et [https://hubblesite.org/contents/articles/spectroscopy-reading-the-rainbow]
INTRODUCTION – QU’EST-CE QUE LA GALAXIE MINÉRALISÉE ? [accessed 04/06/23]Et [https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Kunth/Kunth1.html]
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