Le télescope spatial James Webb a identifié de petits points rouges dans le ciel nocturne, révélant de nouvelles informations sur la formation des trous noirs supermassifs, remettant en question les théories astronomiques existantes sur leur croissance rapide au début de l’univers. (Concept de l’artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Le Télescope spatial James Webb fait l’une des découvertes les plus inattendues au cours de sa première année de service : un nombre élevé de petits points rouges pâles dans l’Univers lointain pourrait changer la façon dont nous comprenons la genèse des trous noirs supermassifs. La recherche, dirigée par Jorryt Matthee, professeur adjoint d’astrophysique à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA), est désormais publiée dans Le Journal d’astrophysique.
Un groupe de petits points rouges découverts dans une petite région de notre ciel nocturne pourrait constituer une avancée inattendue pour le télescope spatial James Webb (JWST) au cours de sa première année de service. Ces objets étaient impossibles à distinguer des galaxies normales à travers les « yeux » des anciens Le télescope spatial Hubble.
« Sans avoir été développé dans ce but précis, le JWST nous a aidé à déterminer que de petits points rouges pâles, découverts très loin dans le passé lointain de l’Univers, sont de petites versions de trous noirs extrêmement massifs. Ces objets spéciaux pourraient changer notre façon de penser la genèse des trous noirs », déclare Jorryt Matthee, professeur adjoint à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA) et auteur principal de l’étude.
« Les découvertes actuelles pourraient nous rapprocher de la réponse à l’un des plus grands dilemmes de l’astronomie : selon les modèles actuels, certains trous noirs supermassifs de l’Univers primitif se sont simplement développés « trop vite ». Alors comment se sont-ils formés ?
Quasar géant et petits points rouges. Une image NIRCam du télescope spatial James Webb (JWST) NASA/ESA/CSA du quasar lumineux J1148+5251, un trou noir supermassif actif extrêmement rare de 10 milliards de masses solaires. La lumière du quasar, la source orange en forme d’étoile avec six pics de diffraction clairs, a été émise il y a 13 milliards d’années. L’existence de trous noirs aussi massifs dans le jeune Univers pose un défi important aux théories des trous noirs et de la formation des galaxies. Simultanément, l’image a capturé de petits objets rouges ressemblant à des points, appelés petits points rouges. Plusieurs de ces objets apparaissent dans pratiquement toutes les images JWST profondes. Comme le quasar J1148+5251, la lumière de ces objets (qui dans ces cas a été émise il y a 12,5 milliards d’années) est également alimentée par des trous noirs supermassifs. Cependant, ces trous noirs ont une masse cent à mille inférieure et sont fortement obscurcis par la poussière (ce qui les fait apparaître rouges). Les petits points rouges pourraient représenter des galaxies qui sont dans une phase évolutive antérieure à la phase lumineuse des quasars, et aider ainsi les chercheurs à comprendre la formation et le rôle des trous noirs supermassifs dans les galaxies lointaines.
L’image a été prise dans le cadre du projet EIGER.
Crédits : NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zurich), D. Kashino (Observatoire national du Japon), S. Lilly (ETH Zurich)
Les points cosmiques de non-retour
Les scientifiques ont longtemps considéré les trous noirs comme une curiosité mathématique jusqu’à ce que leur existence devienne de plus en plus évidente. Ces étranges gouffres cosmiques sans fond pourraient avoir des masses si compactes et une forte gravité que rien ne pourrait échapper à leur force d’attraction : ils aspirent tout, y compris la poussière cosmique, les planètes et les étoiles, et déforment l’espace et le temps qui les entourent de telle sorte que même la lumière ne puisse s’en échapper. .
La théorie de la relativité générale, publiée par Albert Einstein il y a plus d’un siècle, prédisait que les trous noirs pouvaient avoir n’importe quelle masse. Certains des trous noirs les plus intrigants sont les trous noirs supermassifs (SMBH), qui pourraient atteindre des millions, voire des milliards de fois la masse du Soleil. Les astrophysiciens s’accordent sur le fait qu’il existe un SMBH au centre de presque toutes les grandes galaxies. La preuve que Sagittarius A* est un SMBH au centre de notre Galaxie avec plus de quatre millions de fois la masse du Soleil, a valu le prix Nobel de physique 2020.
Trop massif pour être là
Cependant, tous les SMBH ne sont pas identiques. Alors que le Sagittaire A* pourrait être comparé à un volcan endormi, certains SMBH se développent extrêmement rapidement en engloutissant des quantités astronomiques de matière. Ainsi, ils deviennent si lumineux qu’ils peuvent être observés jusqu’aux confins de l’Univers en constante expansion. Ces SMBH sont appelés quasars et comptent parmi les objets les plus brillants de l’Univers.
« Un problème avec les quasars est que certains d’entre eux semblent trop massifs, trop massifs compte tenu de l’âge de l’Univers auquel les quasars sont observés. Nous les appelons les « quasars problématiques » », explique Matthee. « Si l’on considère que les quasars sont issus d’explosions d’étoiles massives et que nous connaissons leur taux de croissance maximal grâce aux lois générales de la physique, certains d’entre eux semblent avoir grandi plus vite que possible. C’est comme regarder un enfant de cinq ans mesurant deux mètres. Quelque chose ne va pas», explique-t-il.
Les PMEH pourraient-elles peut-être croître encore plus vite que nous le pensions au départ ? Ou se forment-ils différemment ?
Jorryt Matthee, professeur adjoint à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA). Crédit : © Peter Rigaud / ISTA
Petites versions de monstres cosmiques géants
Aujourd’hui, Matthee et ses collègues identifient une population d’objets qui apparaissent sous forme de petits points rouges dans les images JWST. Ils démontrent également que ces objets sont des SMBH, mais pas trop massifs. La détection de raies d’émission spectrales Hα avec des profils de raies larges a été essentielle pour déterminer que ces objets sont des SMBH. Les raies Hα sont des raies spectrales dans la région rouge foncé de la lumière visible qui sont émises lorsque les atomes d’hydrogène sont chauffés. La largeur des spectres retrace le mouvement du gaz.
« Plus la base des lignes Hα est large, plus la vitesse du gaz est élevée. Ainsi, ces spectres nous indiquent que nous observons un très petit nuage de gaz qui se déplace extrêmement rapidement et orbite autour de quelque chose de très massif comme un SMBH », explique Matthee.
Cependant, les petits points rouges ne sont pas les monstres cosmiques géants que l’on trouve dans les SMBH trop massifs. « Alors que les « quasars problématiques » sont bleus, extrêmement brillants et atteignent des milliards de fois la masse du Soleil, les petits points rouges ressemblent davantage à des « bébés quasars ». Leurs masses se situent entre dix et cent millions de masses solaires. De plus, ils apparaissent rouges parce qu’ils sont poussiéreux. La poussière obscurcit les trous noirs et rougit les couleurs », explique Matthee.
Mais finalement, l’écoulement de gaz des trous noirs finira par percer le cocon de poussière, et des géants évolueront à partir de ces petits points rouges. Ainsi, l’astrophysicien de l’ISTA et son équipe suggèrent que les petits points rouges sont de petites versions rouges de SMBH bleus géants dans la phase antérieure aux quasars problématiques. « Etudier plus en détail les versions miniatures des SMBH trop massifs nous permettra de mieux comprendre comment les quasars problématiques en viennent à exister. »
Une technologie « de rupture »
Matthee et son équipe ont pu retrouver les bébés quasars grâce aux ensembles de données acquis par les collaborations EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) et FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopiquement Complete Observations). Il s’agit d’un programme JWST de grande et moyenne taille dans lequel Matthee a été impliqué. En décembre dernier, le magazine Physics World a classé l’EIGER parmi les 10 meilleures avancées de l’année pour 2023.
« L’EIGER a été conçu pour étudier spécifiquement les rares quasars supermassifs bleus et leurs environnements. Il n’a pas été conçu pour trouver les petits points rouges. Mais nous les avons trouvés par hasard dans le même ensemble de données. En effet, en utilisant la caméra proche infrarouge du JWST, l’EIGER acquiert les spectres d’émission de tous les objets de l’Univers », explique Matthee. « Si vous levez votre index et étendez complètement votre bras, la région du ciel nocturne que nous avons explorée correspond à environ un vingtième de la surface de votre ongle. Jusqu’à présent, nous n’avons probablement fait qu’effleurer la surface.»
Matthee est convaincu que la présente étude ouvrira de nombreuses voies et contribuera à répondre à certaines des grandes questions concernant l’Univers. « Les trous noirs et les SMBH sont probablement les choses les plus intéressantes de l’Univers. Il est difficile d’expliquer pourquoi ils sont là, mais ils sont là. Nous espérons que ces travaux nous aideront à lever l’un des plus grands voiles de mystère sur l’Univers », conclut-il.
Peu avant la publication de cet article, le Space Telescope Science Institute (STScI) a annoncé les propositions de programme sélectionnées pour la troisième année d’opérations scientifiques du JWST. Parmi les programmes qui ont réussi la sélection compétitive figurait la proposition de Matthee « Dissection des petits points rouges : le lien entre la croissance précoce du SMBH et la réionisation cosmique », qui totalisera 45 heures sur JWST.
