Les galaxies spirales observées par le télescope James Webb ressemblent parfois à des tourbillons de braises, traversés de filaments orange et ponctués de zones bleutées. Ces images ne sont pourtant pas de simples cartes postales cosmiques : l’infrarouge de Webb révèle la poussière, les régions où naissent les étoiles et les immenses cavités creusées dans le gaz par les générations précédentes d’étoiles.
Lorsque les premières données de NGC 628, NGC 7496 et IC 5332 sont devenues publiques en 2022, elles avaient déjà produit des images spectaculaires. Depuis, le programme PHANGS est passé à une tout autre échelle : en janvier 2024, les équipes de James Webb ont publié une collection homogène de 19 galaxies spirales proches vues presque de face, permettant de comparer leur structure avec une précision remarquable.
Mosaïque de 19 galaxies spirales observées en proche et moyen infrarouge par le télescope James Webb dans le cadre du programme PHANGS. Crédit image NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), PHANGS Team, E. Wheatley (STScI) (CC BY 4.0).
À retenir
- James Webb a observé 19 galaxies spirales proches dans le cadre du programme PHANGS.
- Les images associent les observations de NIRCam dans le proche infrarouge et de MIRI dans le moyen infrarouge.
- La poussière chauffée apparaît principalement dans des teintes rouges et orange, tandis que de nombreuses étoiles apparaissent en bleu.
- Webb ne remplace pas Hubble : les deux télescopes observent des longueurs d’onde différentes et montrent donc des composantes différentes des mêmes galaxies.
- NGC 628, aussi appelée M74 ou galaxie Fantôme, se trouve à environ 32 millions d’années-lumière.
- NGC 7496 est une galaxie spirale barrée située à environ 24 millions d’années-lumière et possède un noyau galactique actif.
- IC 5332 se trouve à environ 30 millions d’années-lumière et est vue presque parfaitement de face.
En 2022, les premières données Webb étaient déjà entre les mains du public
L’histoire de ces images commence peu après le début des observations scientifiques du James Webb Space Telescope.
Les données du télescope sont mises à disposition de la communauté scientifique et certaines deviennent publiques très rapidement. En juillet 2022, l’astrophotographe et spécialiste du traitement d’images astronomiques Judy Schmidt exploite ainsi les premières données de galaxies du programme PHANGS.
Elle produit notamment une étonnante vue de NGC 628, également connue sous les noms de M74 et galaxie Fantôme.
Première interprétation des données infrarouges de NGC 628 publiée en 2022. Traitement d’image par Judy Schmidt à partir de données du James Webb Space Telescope. Crédit image NASA, ESA, CSA, Judy Schmidt (CC BY 2.0).
Ces images ont rapidement circulé sur internet parce qu’elles donnaient un aperçu inhabituel de galaxies pourtant déjà longuement observées par Hubble.
Mais parler simplement d’images « plus détaillées que Hubble » serait trompeur.
Le véritable intérêt de Webb est ailleurs.
Webb ne voit pas simplement « mieux » que Hubble
Hubble et James Webb ne regardent pas exactement le même Univers.
Le télescope spatial Hubble observe principalement dans l’ultraviolet, la lumière visible et une partie du proche infrarouge. James Webb est conçu pour travailler beaucoup plus profondément dans l’infrarouge.
La différence est particulièrement spectaculaire lorsqu’ils observent de la poussière interstellaire.
En lumière visible, la poussière absorbe une partie de la lumière des étoiles. Elle apparaît alors comme des bandes sombres traversant les bras d’une galaxie.
Cette même poussière absorbe de l’énergie puis en réémet une partie dans l’infrarouge.
Avec Webb, ce qui semblait obscur chez Hubble peut donc devenir lumineux.
C’est presque une inversion de contraste cosmique : les zones noires se transforment en filaments orange et rouges.
Cette complémentarité rappelle ce que l’on observe également avec les Piliers de la création vus par Hubble et James Webb, où l’infrarouge permet de traverser une partie des nuages de poussière qui masquent les étoiles en formation.
19 galaxies spirales observées dans le programme PHANGS
Le 29 janvier 2024, les équipes de Webb ont publié ensemble les portraits de 19 galaxies spirales observées presque de face.
Elles appartiennent au programme PHANGS, acronyme de Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS.
Le projet ne repose pas uniquement sur James Webb.
Il associe notamment les observations :
- du James Webb Space Telescope dans l’infrarouge ;
- de Hubble dans l’ultraviolet et la lumière visible ;
- du réseau de radiotélescopes ALMA dans le domaine millimétrique et submillimétrique ;
- de l’instrument MUSE du Very Large Telescope de l’ESO.
Chaque instrument observe donc une pièce différente du puzzle.
L’objectif est de comprendre le cycle de formation des étoiles : comment le gaz moléculaire forme des nuages denses, comment des étoiles apparaissent dans ces nuages et comment leur rayonnement, leurs vents puis parfois leurs explosions modifient à leur tour le milieu interstellaire.
NGC 628 ou M74 : la galaxie Fantôme révèle son réseau de poussière
NGC 628 est probablement la plus spectaculaire des trois galaxies déjà présentes dans la première version de cet article.
Également appelée Messier 74 ou galaxie Fantôme, elle se trouve à environ 32 millions d’années-lumière dans la constellation des Poissons.
Elle est orientée presque de face par rapport à la Terre. Ses bras apparaissent donc particulièrement clairement, ce qui en fait un excellent laboratoire pour étudier la structure des galaxies spirales.
NGC 628, également appelée M74 ou galaxie Fantôme, observée par James Webb avec NIRCam et MIRI. Crédit image NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), PHANGS Team (CC BY 4.0).
Dans l’image Webb, les bras orangés forment un véritable réseau de filaments de poussière.
Les zones bleues sont dominées par des populations d’étoiles, tandis que des régions rouges ou orangées correspondent notamment à de la poussière et à des régions associées à la formation de nouvelles étoiles.
On distingue aussi de grandes zones sombres presque circulaires dans les filaments.
Ce ne sont pas des trous dans la galaxie.
Il s’agit de cavités et de coquilles creusées dans le gaz et la poussière par l’activité des étoiles : vents stellaires, rayonnement et explosions de supernovae ont progressivement repoussé le matériau interstellaire.
Cette interaction entre générations d’étoiles est justement l’un des grands sujets étudiés par PHANGS.
NGC 7496 : une galaxie spirale barrée avec un trou noir actif
À environ 24 millions d’années-lumière, dans la constellation de la Grue, NGC 7496 offre une structure différente.
Il ne s’agit pas d’une galaxie surnommée « Barred Galaxy », comme l’indiquait l’ancienne version de cet article : NGC 7496 est une galaxie spirale barrée.
Une barre d’étoiles traverse sa région centrale avant de rejoindre les bras spiraux.
La galaxie spirale barrée NGC 7496 observée en proche et moyen infrarouge par James Webb. Crédit image NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), PHANGS Team (CC BY 4.0).
Le centre très lumineux de NGC 7496 abrite également un noyau galactique actif.
Autrement dit, le trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie est en train d’accréter de la matière et libère de grandes quantités d’énergie.
Dans les observations infrarouges, les astronomes ont également identifié des dizaines de candidats à de jeunes amas stellaires encore profondément enfouis dans le gaz et la poussière.
Dans une analyse des premières observations MIRI, près de 60 nouveaux candidats amas enfouis ont ainsi été repérés dans NGC 7496.
L’infrarouge permet précisément d’aller chercher ces jeunes étoiles là où la lumière visible peine à traverser leur cocon natal.
IC 5332 : une spirale presque parfaitement vue de face
IC 5332 se trouve à environ 30 millions d’années-lumière dans la constellation du Sculpteur.
Elle est elle aussi orientée presque de face.
Cette géométrie permet de suivre facilement ses nombreux bras spiraux depuis le centre jusqu’à la périphérie.
La galaxie spirale IC 5332 observée par James Webb avec NIRCam et MIRI. Crédit image NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), R. Chandar (UToledo), PHANGS Team (CC BY 4.0).
Chez Webb, les filaments orangés dessinent une sorte de squelette de la galaxie.
Comparée aux images visibles de Hubble, cette structure peut presque sembler inversée : les poussières obscures deviennent brillantes en infrarouge.
C’est un excellent exemple de la raison pour laquelle comparer plusieurs observatoires est souvent beaucoup plus instructif que de demander lequel est « meilleur ».
Une logique comparable s’applique à la nébuleuse de la Lyre observée avec NIRCam et MIRI : deux instruments du même télescope peuvent déjà donner des visions très différentes d’un même objet.
Pourquoi les galaxies de James Webb sont-elles rouges et orange ?
Les couleurs de ces images ne correspondent pas directement à celles que percevrait un œil humain placé à proximité de la galaxie.
Et pour une bonne raison : une grande partie de la lumière captée par Webb est infrarouge, donc invisible pour nos yeux.
Les instruments enregistrent différentes bandes de longueurs d’onde sous forme d’images essentiellement monochromes.
Les équipes de traitement attribuent ensuite des couleurs visibles à ces différentes bandes afin de construire une image interprétable.
Dans la collection PHANGS, les filtres du moyen infrarouge de MIRI sont largement associés aux teintes rouges et orange, tandis que certaines bandes du proche infrarouge de NIRCam participent aux tons verts et bleus.
Cela ne signifie pas que les couleurs sont posées au hasard.
Elles codent de véritables informations physiques provenant de différentes longueurs d’onde.
La mosaïque utilise notamment des observations autour de 3 à 3,6 micromètres avec NIRCam et de 7,7 à 21 micromètres avec MIRI.
Les images sont donc à la fois scientifiques et représentatives : elles traduisent en couleurs visibles des informations que notre œil serait incapable de percevoir directement.
Des bulles géantes creusées par les étoiles
L’un des résultats les plus remarquables de ces observations est la quantité de cavités visibles dans les bras spiraux.
Les filaments de poussière semblent entourer de grandes bulles noires, parfois presque parfaitement arrondies.
Ces structures racontent une partie du cycle de vie des étoiles.
Une étoile massive injecte de l’énergie dans son environnement durant sa vie par son rayonnement et ses vents stellaires. Lorsqu’elle finit par exploser en supernova, elle peut également propulser une énorme quantité de matière et d’énergie dans le milieu environnant.
Le gaz et la poussière sont repoussés, créant progressivement des coquilles et des cavités.
En étudiant leur taille, leur position et les jeunes étoiles qui se trouvent à proximité, les astronomes peuvent reconstruire une partie de l’histoire récente de la formation stellaire dans chaque galaxie.
Ce type d’observation rejoint à une échelle beaucoup plus petite ce que Webb étudie autour de très jeunes étoiles comme Herbig-Haro 211 et ses puissants jets protostellaires.
Les premières images de 2022 n’étaient donc que le début
Lorsque les premières compositions réalisées à partir des données de Webb sont apparues en juillet 2022, elles étaient surtout spectaculaires par leur nouveauté.
Quelques années plus tard, leur véritable intérêt apparaît plus clairement.
Les observations de James Webb ne servent pas simplement à produire de plus belles photographies de galaxies déjà connues.
Elles offrent une cartographie très fine du gaz, de la poussière et des jeunes étoiles à l’intérieur de galaxies suffisamment proches pour que les astronomes puissent étudier leurs structures à petite échelle.
PHANGS rassemble ensuite ces informations avec celles obtenues par Hubble, ALMA ou le Very Large Telescope.
Chaque observatoire ajoute une couche supplémentaire.
Le résultat ressemble moins à une photographie qu’à une gigantesque autopsie non destructive de la galaxie — ce qui est tout de même préférable lorsqu’elle mesure plusieurs dizaines de milliers d’années-lumière.
Pourquoi étudier des galaxies relativement proches ?
NGC 628, NGC 7496 et IC 5332 sont situées entre environ 24 et 32 millions d’années-lumière de la Terre.
Dire qu’elles sont « proches de la Voie lactée » serait évidemment trompeur à l’échelle humaine.
Mais pour des astronomes étudiant l’Univers extragalactique, ce sont des voisines relativement accessibles.
Cette proximité permet à Webb de distinguer des structures que l’on ne pourrait pas étudier avec autant de précision dans des galaxies situées à plusieurs milliards d’années-lumière.
Les galaxies très lointaines restent néanmoins essentielles pour comprendre l’Univers ancien. James Webb observe ainsi aussi bien ces spirales proches que des systèmes beaucoup plus éloignés, comme la galaxie de la Roue de chariot et certaines des premières galaxies étudiées avec JWST.
Les deux approches sont complémentaires : les galaxies lointaines montrent comment l’Univers évoluait dans sa jeunesse, tandis que les galaxies proches permettent d’examiner beaucoup plus finement les mécanismes qui les transforment.
Sources pour aller plus loin
- NASA — Webb Depicts Staggering Structure in 19 Nearby Spiral Galaxies
- ESA/Webb — Webb depicts staggering structure in 19 nearby spiral galaxies
- ESA/Webb — mosaïque PHANGS des 19 galaxies spirales
- NASA — comparaison de NGC 628 par James Webb et Hubble
- NASA — comparaison de NGC 7496 par James Webb et Hubble
- ESA/Webb — IC 5332
- PHANGS — Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS