Cette illustration représente deux quasars en train de fusionner. En utilisant à la fois le télescope Gemini North, la moitié de l'Observatoire international Gemini, soutenu en partie par la National Science Foundation des États-Unis et exploité par NSF NOIRLab, et le télescope Subaru, une équipe d'astronomes a découvert une paire de quasars en fusion observés uniquement 900 millions d'années après le Big Bang. Il s’agit non seulement de la paire de quasars en fusion la plus éloignée jamais découverte, mais aussi de la première paire confirmée trouvée dans la période de l’Univers connue sous le nom d’Aube Cosmique. Crédit : Observatoire international des Gémeaux/NOIRLab/NSF/AURA/M. Ail
Les astronomes découvrent la paire de quasars en fusion la plus éloignée, observée seulement 900 millions d'années après le Big Bang.
Cette période, connue sous le nom d’Aube Cosmique, est cruciale car elle marque le début de la formation des étoiles et des galaxies qui a conduit à la réionisation de l’univers. Ces quasars donnent un aperçu de la formation des trous noirs supermassifs et de l'évolution précoce des galaxies, mettant en évidence une transition cosmologique importante au cours de l'époque de réionisation.
Expansion cosmique et formation de quasars
Depuis le tout premier instant après le Big Bang, l’Univers s’est étendu. Cela signifie que l’Univers primitif était considérablement plus petit et que les galaxies formées au début étaient plus susceptibles d’interagir et de fusionner. Les fusions de galaxies alimentent la formation de quasars – des noyaux galactiques extrêmement lumineux où le gaz et la poussière tombant dans un trou noir supermassif central émettent d’énormes quantités de lumière. Ainsi, en repensant aux débuts de l’Univers, les astronomes s’attendraient à trouver de nombreuses paires de quasars très proches les uns des autres alors que leurs galaxies hôtes subissent des fusions. Cependant, ils ont été surpris de n’en trouver absolument aucun – jusqu’à présent.
Une équipe d'astronomes a découvert une paire de quasars battant deux records. Non seulement il s’agit de la paire de quasars en fusion la plus éloignée jamais découverte, mais aussi la seule paire confirmée dans l’époque révolue de la première formation de l’Univers.
Découverte de quasars lointains en fusion
Avec l'aide du télescope Gemini North, la moitié de l'Observatoire international Gemini, soutenu en partie par la National Science Foundation des États-Unis et exploité par la NSF. Laboratoire NOIRune équipe d'astronomes a découvert une paire de quasars en fusion observés seulement 900 millions d'années après le Big Bang. Il s’agit non seulement de la paire de quasars en fusion la plus éloignée jamais découverte, mais aussi de la première paire confirmée dans la période de l’histoire de l’Univers connue sous le nom d’Aube Cosmique.
L'importance de l'aube cosmique et de la réionisation
L'aube cosmique s'est étendue d'environ 50 millions d'années à un milliard d'années après le Big Bang. Au cours de cette période, les premières étoiles et galaxies ont commencé à apparaître, remplissant pour la première fois de lumière l’Univers sombre. L’arrivée des premières étoiles et galaxies a marqué le début d’une nouvelle ère dans la formation du cosmos connue sous le nom d’époque de réionisation.
Bien que nous ne sachions pas exactement quand les premières étoiles ont commencé à briller, nous savons qu'elles ont dû se former quelque temps après l'ère de la recombinaison, lorsque les atomes d'hydrogène et d'hélium se sont formés (380 000 ans après le Big Bang), et avant les plus anciennes galaxies connues. existait (400 millions d'années après le big bang). La lumière ultraviolette émise par les premières étoiles a détruit l’hydrogène gazeux neutre qui remplissait l’univers en ions hydrogène et en électrons libres, ouvrant ainsi l’ère de la réionisation et la fin de l’âge des ténèbres de l’univers. Crédit : NASA, ESA, ASC, STScI
L’époque de réionisation, qui a eu lieu au sein de l’Aube Cosmique, était une période de transition cosmologique. Environ 400 millions d'années après le Big Bang, la lumière ultraviolette des premières étoiles, galaxies et quasars s'est répandue dans tout le cosmos, interagissant avec le milieu intergalactique et dépouillant les atomes d'hydrogène primordiaux de l'Univers de leurs électrons dans un processus connu sous le nom d'ionisation. L’époque de la réionisation a été une époque critique dans l’histoire de l’Univers qui a marqué la fin des âges sombres cosmiques et a engendré les grandes structures que nous observons aujourd’hui dans notre Univers local.
Quasars et l'époque de la réionisation
Pour comprendre le rôle exact joué par les quasars au cours de l’époque de la réionisation, les astronomes souhaitent trouver et étudier les quasars peuplant cette époque ancienne et lointaine.
« Les propriétés statistiques des quasars à l'époque de la réionisation nous disent beaucoup de choses, comme la progression et l'origine de la réionisation, la formation de trous noirs supermassifs au cours de l'aube cosmique et la première évolution des galaxies hôtes des quasars », a déclaré Yoshiki Matsuoka. , astronome à l'université d'Ehime au Japon et auteur principal de l'article décrivant ces résultats, publié dans le Lettres de journaux astrophysiques.
Cette image, prise avec l'Hyper Suprime-Cam du télescope Subaru, montre une paire de quasars en train de fusionner. Les faibles taches rouges ont attiré l'attention des astronomes et une spectroscopie de suivi avec le télescope Gemini North, la moitié de l'Observatoire international Gemini, soutenu en partie par la National Science Foundation des États-Unis et exploité par NSF NOIRLab, a confirmé que ces objets sont des quasars. La paire n’est observée que 900 millions d’années après le Big Bang. Il s’agit non seulement de la paire de quasars en fusion la plus éloignée jamais découverte, mais aussi de la première paire confirmée dans la période de l’histoire de l’Univers connue sous le nom d’Aube Cosmique. Crédit : NOIRLab/NSF/AURA/TA Recteur (Université d'Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), D. de Martin (NSF NOIRLab) & M. Zamani (NSF NOIRLab)
Dévoilement de la paire Quasar
Environ 300 quasars ont été découverts à l'époque de la réionisation, mais aucun d'entre eux n'a été trouvé par paire. Jusqu'à ce que Matsuoka et son équipe examinent les images prises avec l'Hyper Suprime-Cam sur le télescope Subaru et qu'une légère tache rouge attire leur attention. « En examinant les images des quasars candidats, j'ai remarqué deux sources similaires et extrêmement rouges l'une à côté de l'autre », a déclaré Matsuoka. « La découverte était purement fortuite. »
L’équipe n’était pas sûre qu’il s’agissait d’une paire de quasars puisque les quasars candidats éloignés sont contaminés par de nombreuses autres sources, telles que les étoiles et les galaxies du premier plan et les effets de lentille gravitationnelle. Pour confirmer la nature de ces objets, l'équipe a effectué une spectroscopie de suivi à l'aide de la caméra et du spectrographe d'objets faibles (FOCAS) sur le télescope Subaru et du spectrographe Gemini dans le proche infrarouge (GNIRS) sur Gemini North. Les spectres, qui décomposent la lumière émise par une source en longueurs d'onde de ses composantes, obtenus avec GNIRS ont été cruciaux pour caractériser la nature de la paire de quasars et de leurs galaxies hôtes.
Implications de la découverte
« Ce que nous avons appris des observations du GNIRS, c'est que les quasars sont trop faibles pour être détectés dans le proche infrarouge, même avec l'un des plus grands télescopes au sol », a déclaré Matsuoka. Cela a permis à l’équipe d’estimer qu’une partie de la lumière détectée dans la gamme de longueurs d’onde optiques ne provient pas des quasars eux-mêmes, mais de la formation d’étoiles en cours dans leurs galaxies hôtes. L’équipe a également découvert que les deux trous noirs sont des gros trous, chacun ayant une masse 100 millions de fois supérieure à celle du Soleil. Ceci, associé à la présence d'un pont de gaz s'étendant entre les deux quasars, suggère qu'eux et leurs galaxies hôtes subissent une fusion à grande échelle.(1)
« L’existence de quasars en fusion à l’époque de la réionisation est anticipée depuis longtemps. Cela a maintenant été confirmé pour la première fois », a déclaré Matsuoka.(2)
Perspectives futures de la recherche sur les quasars
L’époque de réionisation relie la première formation de structure cosmique à l’univers complexe que nous observons des milliards d’années plus tard. En étudiant des objets éloignés de cette période, les astronomes acquièrent des informations précieuses sur le processus de réionisation et la formation des premiers objets de l'Univers. D'autres découvertes comme celle-ci pourraient être à l'horizon avec le Legacy Survey of Space and Time (LSST) de l'observatoire NSF-DOE Vera C. Rubin, qui durera dix ans et débutera en 2025, et qui est sur le point de détecter des millions de quasars grâce à ses capacités d'imagerie profonde.
Remarques
- Un article complémentaire accepté pour publication dans AAS Journals présente une analyse plus approfondie de la paire de quasars, du pont gazeux entre eux et leurs galaxies hôtes, à l'aide d'observations prises avec le Large Millimeter/submillimeter Array d'Atacama (ALMA).
- Il y a eu des candidats, mais il est difficile de les séparer des images éventuellement à lentille gravitationnelle d'un seul quasar. Il existe également des candidats pour être des noyaux galactiques doubles actifs intégrés dans des galaxies individuelles de l'époque de réionisation, mais ceux-ci ont une luminosité beaucoup plus faible (trou noir activité) que les quasars et sont deux composants au sein d’une même galaxie, qualitativement différents de ce qui est décrit ici.
L'équipe est composée de Yoshiki Matsuoka (Université d'Ehime, Japon), Takuma Izumi (Observatoire astronomique national du Japon, Tokyo), Masafusa Onoue (Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers, Japon), Michael A. Strauss (université de PrincetonÉtats-Unis), Kazushi Iwasawa (Université de Barcelone Espagne), Nobunari Kashikawa (Université de Tokyo, Japon), Masayuki Akiyama (Université du Tohoku, Japon), Kentaro Aoki (Télescope Subaru, Observatoire astronomique national du Japon, États-Unis), Junya Arita ( Université de Tokyo, Japon), Masatoshi Imanishi (Observatoire astronomique national du Japon, Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), Japon), Rikako Ishimoto (Université de Tokyo, Japon), Toshihiro Kawaguchi (Université de la ville d'Onomichi, Japon), Kotaro Kohno (Université de Tokyo, Japon), Chien-Hsiu Lee (Observatoire WM Keck, États-Unis), Tohru Nagao (Université d'Ehime, Japon), John D. Silverman (Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers, Japon) et Yoshiki Toba (Université d'Ehime, Japon, Observatoire astronomique national du Japon, Tokyo, Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica, Taiwan)
