A 10 milliards d’années-lumière. « On remonte dans la jeunesse de l’Univers pour mieux comprendre la formation précoce des galaxies », annonce Gaël Noirot, chercheur postdoctoral en astronomie à l'Université Saint Mary’s (Halifax) et premier auteur de cette étude.

Cet amas massif de galaxies agit comme un deuxième télescope dans l’espace. «  Son effet est celui d’une lentille gravitationnelle, en magnifiant la lumière des galaxies situées en arrière », précise le chercheur du CANUCS, le programme qui étudie l’évolution de ces très anciennes galaxies, avec l’aide de l’instrument canadien NIRISS (lmageur et spectrographe sans fente dans le proche infrarouge) du télescope spatial.

Le fait de pouvoir observer dans l’infrarouge signifie qu’on peut détecter les éléments chimiques (hydrogène, oxygène, carbone) présents au sein de ces galaxies. En mesurant la lumière ou longueur d’onde émise, les chercheurs peuvent aussi observer le décalage vers le rouge (redshift) et ainsi mesurer leur distance de la Terre.

Cette lumière est une onde qui se déplace à une vitesse fixe - 300 000 km par seconde. Les changements de fréquence des ondes se perçoivent comme des changements de couleur.

Captée par les dispositifs du télescope, cette onde montre les lignes d'absorption de l'hydrogène, de l'hélium, du sodium, etc. Si l'étoile s'éloigne de nous, ces raies d'absorption subissent un décalage « Doppler » en se déplaçant vers la partie rouge de l'arc-en-ciel.

« Ce décalage vers le rouge pour le spectre visible, c’est l’effet de l’expansion de l’Univers. Une galaxie lointaine émet de la lumière, une longueur d’onde, qui change en s’éloignant de nous », relève le chercheur.

Dans des galaxies loin de chez nous !

L’équipe a découvert trois surdensités de galaxies – des groupes de galaxies liées les unes aux autres - situées derrière l’amas de galaxies SMACS 0723 grâce à leur propre décalage vers le rouge.

Ces trois groupes sont liés par la gravité et évoluent ensemble, ce qui les rend différents du reste. « Ce qui nous intéresse, c’est de mieux comprendre comment ils se sont formés et ont évolué dans leur jeunesse », explique Gaël Noirot.

« Nous avons des données sur les étoiles les plus vieilles mais aussi sur l’influence de cet environnement particulier : un amas avec différents types d’interactions entre les galaxies mais aussi le gaz qui les entoure », décrit le chercheur.

Lorsque les étoiles se forment au sein d’une galaxie, leur fusion crée des composés chimiques, plus lourds que l’hélium, qu’elles relâchent quand elles meurent. Ce nuage de gaz qui entoure l’amas donne des indices aux chercheurs sur le nombre d’étoiles qui ont pu se former au sein de ces galaxies, sur leur évolution, et sur les étoiles qui ont eu le temps de mourir, même dans ces temps reculés. 

Une des découvertes les plus intéressantes s’avère celle de la galaxie Sparkler (pour « étincelle »). Elle « possède des points lumineux correspondant à des amas globulaires —des amas d’étoiles. C’est la première fois que l’on observe de tels amas dans cette région éloignée », relève encore M. Noirot.

Repousser les limites de la physique

Fruit d’une collaboration entre l'Agence spatiale canadienne, la NASA et l'Agence spatiale européenne, le télescope James-Webb (JWST), lancé il y a deux ans, ne cesse de renouveler notre vision de l’Univers, avec chaque fois plus de détails.

C’est le cas avec ce catalogue spectrographique de 200 des galaxies du lointain amas SMACS 0723, note l’astrophysicienne Nathalie Ouellette. « C’est un catalogue très riche scientifiquement pour comprendre l’évolution des galaxies jeunes et lointaines. »

Pour la directrice adjointe de l'Institut Trottier de recherches sur les exoplanètes (iREx) et chargée des communications pour le JWST, « c’est un atout pour toute la communauté scientifique ».

Ce serait comme une boite de pandore où plus on en apprend, plus il reste des mystères à résoudre. « L’univers comptait plus de galaxies matures, massives et structurées, dans ses débuts, ce qui signifie qu’elles se sont formées plus tôt qu’on le pensait. Cela repousse les limites de la physique et oblige à un changement de la compréhension de l’univers primordial », ajoute-t-elle.