Le télescope spatial James Webb a capturé des images de deux quasars du premier univers, mettant en lumière la relation entre les trous noirs et leurs galaxies hôtes. Cette avancée suggère que le rapport de masse observé dans les galaxies plus récentes était déjà présent moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
Les observations récentes de JWST sur deux quasars datant des débuts de l’univers révèlent des informations cruciales sur les premières relations entre les trous noirs et leurs galaxies, faisant écho aux rapports de masse observés dans l’univers plus récent.
De nouvelles images du télescope spatial James Webb (JWST) ont révélé, pour la première fois, la lumière des étoiles de deux galaxies massives abritant des trous noirs en croissance active – des quasars – observés moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Les trous noirs ont des masses proches d’un milliard de fois celles du Soleil, et les masses des galaxies hôtes sont près de cent fois plus grandes, un rapport similaire à celui que l’on trouve dans l’univers plus récent. Une puissante combinaison de l’étude à grand champ du télescope Subaru et du JWST a ouvert une nouvelle voie pour étudier l’univers lointain, rapporte une étude récente publiée dans Nature.
Les observations de trous noirs géants ont attiré l’attention des astronomes ces dernières années. Le télescope Event Horizon (EHT) a commencé à imager « l’ombre » des trous noirs au centre des galaxies. Le Prix du roman de physique 2020 a été décerné à des observations de mouvements stellaires au cœur du voie Lactée. Alors que l’existence de tels trous noirs géants est devenue solide, personne ne connaît leur origine.
Les astronomes ont rapporté qu’il existait des trous noirs d’un milliard de masse solaire au cours du premier milliard d’années de l’univers. Comment ces trous noirs ont-ils pu atteindre une telle taille alors que l’univers était si jeune ? Plus étonnant encore, les observations dans l’univers local montrent une relation claire entre la masse des trous noirs supermassifs et les galaxies beaucoup plus grandes dans lesquelles ils résident. Les galaxies et les trous noirs ont des tailles complètement différentes, alors qu’est-ce qui est arrivé en premier : les trous noirs ou les galaxies ? Il s’agit d’un problème de type « poule ou œuf » à l’échelle cosmique.
Image JWST NIRCam 3,6 µm de HSC J2236+0032. L’image avec zoom arrière, l’image du quasar et l’image de la galaxie hôte après soustraction de la lumière du quasar (de gauche à droite). L’échelle de l’image en années-lumière est indiquée dans chaque panneau. Crédit : Ding, Onoue, Silverman et al.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Masafusa Onoue, chercheur en astrophysique Kavli à l’Institut Kavli d’astronomie et d’astrophysique (KIAA) de l’Université de Pékin, Xuheng Ding, chercheur à l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU ), et John Silverman, professeur à Kavli IPMU, ont commencé à répondre à cette question avec le Télescope spatial James Webb (JWST), un télescope spatial de 6,5 mètres développé par une collaboration internationale entre NASAle Agence spatiale européenne (ESA) et l’Agence spatiale canadienne (ASC), et lancé en décembre 2021.
Les quasars sont lumineux, tandis que leurs galaxies hôtes sont faibles, ce qui rend difficile pour les chercheurs de détecter la faible lumière de la galaxie dans l’éblouissement du quasar, en particulier à de grandes distances. « Trouver les galaxies hôtes des quasars à redshift 6, c’est comme essayer de repérer des lucioles dans un feu d’artifice à couper le souffle tout en portant des lunettes embuées. Les galaxies hôtes sont incroyablement faibles et la résolution des images est très limitée, même avec la Le télescope spatial Hubblece qui rend la découverte de leur beauté cachée un véritable défi », explique Xuheng Ding.
Concept artistique du télescope spatial James Webb de la NASA. Crédit : NASA, ESA et Northrop Grumman
L’équipe a observé deux quasars avec le JWST, HSC J2236+0032 et HSC J2255+0251, aux redshifts 6,40 et 6,34, lorsque l’Univers avait environ 860 millions d’années. Ces deux quasars ont été initialement découverts grâce à une étude à grand champ du télescope Subaru de 8,2 m, avec laquelle l’équipe de recherche a identifié à ce jour plus de 160 quasars. Les luminosités relativement faibles de ces quasars en ont fait des cibles privilégiées pour la mesure des propriétés des galaxies hôtes, et la détection réussie des hôtes représente à ce jour la première époque à laquelle la lumière des étoiles a été détectée dans un quasar.
Les images des deux quasars ont été prises aux longueurs d’onde infrarouges de 3,56 et 1,50 microns avec l’instrument NIRCam de JWST, et les galaxies hôtes sont devenues apparentes après avoir soigneusement modélisé et soustrait l’éblouissement des trous noirs en accrétion. La signature stellaire de la galaxie hôte a également été observée dans un spectre pris par NIRSpec de JWST pour J2236+0032, confortant ainsi la détection de la galaxie hôte. « J’ai été profondément impliqué dans l’étude Subaru des quasars à redshift élevé depuis mes années de doctorat à l’Observatoire astronomique national du Japon. Je suis extrêmement fier de la détection réussie de la lumière des étoiles par les quasars HSC que nous avons trouvée avec Subaru », déclare Masafusa Onoue.
Xuheng Ding, chercheur du projet Kavli IPMU, le professeur John Silverman et Masafusa Onoue, chercheur à l’Institut Kavli d’astronomie et d’astrophysique (PKU-KIAA), chercheur en astrophysique de Kavli (de gauche à droite). Crédit : Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue
À partir des observations, l’équipe a constaté que le rapport entre trou noir La masse de la galaxie hôte est similaire à celle observée dans l’Univers plus récent. Le résultat suggère que la relation entre les trous noirs et leurs hôtes était déjà en place au cours du premier milliard d’années après l’apparition des trous noirs. Big Bang. L’équipe poursuivra cette étude avec un échantillon plus large de quasars distants, dans le but de mieux contraindre l’histoire de la croissance coévolutive des trous noirs et de leurs galaxies mères au cours du temps cosmique. Ces observations contraindront les modèles de coévolution des trous noirs et de leurs galaxies hôtes.
Pour en savoir plus sur cette découverte, consultez Les chercheurs détectent les galaxies hôtes des quasars dans l’univers primitif.
