Les astronomes ont découvert « trous noirs supermassifs enveloppés de poussière » Dans l'univers précoce, moins d'un milliard d'années après le Big Bang – un type d'objet qui avait déjà échappé à la détection.
Une équipe de recherche internationale, y compris des scientifiques de l'Université Ehime et de l'Observatoire astronomique du Japon (NAOJ), a d'abord identifié des galaxies candidates au télescope Subaru, puis a confirmé avec le télescope spatial James Webb (JWST) qu'ils hébergent des trous noirs supermassifs brillants comme quasars tout en consommant la matière environnante.
Cela marque la première découverte de tels quasars cachés mais brillants dans l'univers précoce, révélant que les quasars brillants sont au moins deux fois plus fréquents à l'époque que précédemment. L'étude est publiée dans Le journal astrophysique.
Arrière-plan
Dans l'univers actuel, 13,8 milliards d'années après le Big Bang, presque toutes les galaxies accueillent des trous noirs supermassifs dans leurs centres, avec des masses dépassant des millions de fois celle du soleil. Ces trous noirs restent en sommeil la plupart du temps, mais lorsqu'ils s'accumulent dans la matière environnante, ils émettent des rayonnements forts et deviennent des objets puissants appelés quasars.
On pense que le rayonnement intense d'un quasar affecte considérablement la croissance et l'évolution de sa galaxie hôte en expulsant le gaz à l'intérieur de la galaxie. Alors que les galaxies tracent l'évolution de l'univers visible, comprendre les trous noirs supermassifs est crucial pour déchiffrer la façon dont l'univers a été façonné dans la forme que nous voyons aujourd'hui.
Malgré le rôle clé que jouent les trous noirs supermassifs dans l'univers, il reste un mystère fondamental quant à la façon dont ils se sont formés. De nombreux trous noirs supermassifs ont déjà été trouvés dès 1 milliard d'années après le Big Bang, ce qui implique que leur formation doit avoir eu lieu encore plus tôt. Pour cette raison, les recherches approfondies de quasars ont ciblé l'époque précoce, parfois appelée « Cosmique Dawn, » Lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années.
Un indice important pour comprendre leur mécanisme de formation est leur densité de nombre – c'est-à-dire le nombre de trous noirs supermassifs par unité de volume d'espace. Si le nombre est élevé, ils doivent s'être formés relativement fréquemment et largement, peut-être comme des restes des étoiles de première génération. À l'inverse, une faible densité de nombre suggérerait une formation dans des conditions spéciales, telles que l'effondrement direct d'objets massifs dus à l'auto-gravité, formant des trous noirs initiaux.
Lorsqu'un trou noir supermassif est actif comme un quasar, il brille si brillamment qu'il peut être détecté même à de grandes distances, correspondant aux temps antérieurs de l'univers. Dans la lumière quasar, nous voyons un « large ligne d'émission, » élargi par l'effet Doppler à partir de l'orbite à gaz à haute vitesse autour du trou noir central (voir Fig. ci-dessous). La détection d'une ligne d'émission aussi large est un signe définitif d'un trou noir supermassif actif dans une galaxie.
Des travaux antérieurs de groupes de recherche dirigés par des chercheurs américains et européens ont utilisé cette méthode pour découvrir des quasars à l'aube cosmique. L'équipe de recherche de cette étude a rejoint l'effort, en utilisant le télescope Subaru, et a découvert plus de 200 quasars.
Cependant, les enquêtes conventionnelles font face à des limitations dues à la technologie observationnelle: les quasars ont été identifiés en utilisant la lumière ultraviolette qu'ils émettent – qui apparaît comme une lumière visible de la Terre (voir Fig. Ci-dessous) – comme marqueur. La lumière ultraviolette est facilement absorbée par la poussière et de nombreuses galaxies contiennent une quantité substantielle de poussière.
Lorsqu'un quasar réside dans une telle galaxie, sa lumière ultraviolette est largement absorbée et ne nous atteint pas. Cela a conduit à la suspicion que les quasars découverts dans les enquêtes conventionnelles ne représentent qu'une fraction de la vraie population, avec beaucoup plus cachées par la poussière.
Observer les quasars cachés
L'équipe de recherche s'est concentrée sur les galaxies les plus lumineuses découvertes dans l'enquête largement sur la zone réalisée avec Hyper Suprime-Cam sur le télescope Subaru (HSC-SSP). Ces galaxies ont été initialement trouvées lors de la recherche de quasars, mais comme aucune ligne d'émission large n'a été détectée à l'époque, elles n'étaient pas considérées comme des quasars.
Pourtant, les signes d'une puissante source d'énergie ont conduit l'équipe à soupçonner pendant plus de 10 ans que des quasars cachés pourraient être présents. Le lancement de JWST a changé la donne. Pour la première fois, l'équipe pouvait observer la lumière visible de ces galaxies – qui atteint la Terre comme une lumière infrarouge – les permettant de voir à travers la poussière qui bloquerait la lumière ultraviolette (voir Fig. Ci-dessus).
Des observations ont été effectuées avec le spectrographe NIRSPEC à bord de JWST de juillet 2023 à octobre 2024, ciblant 11 des galaxies les plus lumineuses découvertes par le télescope Subaru. Sept d'entre eux montrent clairement de larges lignes d'émission, un signe révélateur d'un quasar (voir Fig. Ci-dessous). Cela confirme la présence de quasars enveloppés de poussière. Ce sont les premiers quasars lumineux à obstacle à la poussière découverts à l'aube cosmique.
Quelques candidats possibles pour les quasars obstrués par la poussière à l'aube cosmique ont été signalés précédemment. Cependant, ils restent non concluants car aucune ligne d'émission large n'a été détectée. Des observations récentes de JWST ont découvert de nombreux nouveaux objets appelés « Petits points rouges, » dont beaucoup présentent de larges lignes d'émission.
On pense que ceux-ci accueillent des trous noirs mais sont beaucoup plus faibles que les quasars découverts au début de l'univers. En revanche, cette étude a découvert les premiers exemples de trous noirs supermassifs à l'aube cosmique qui sont aussi lumineux que les quasars conventionnels, mais ont été atténués par leur poussière environnante.
Un examen plus approfondi des spectres a révélé que ces quasars émettent l'énergie équivalente à quelques billions de soleils et sont alimentées par des trous noirs avec des masses de quelques milliards de soleils. Ces valeurs sont comparables aux quasars ordinaires et sans obstacle connues de l'aube cosmique. L'équipe a également constaté que la poussière absorbe environ 70% de la lumière visible et presque toutes (99,9%) de la lumière ultraviolette de ces quasars, ce qui explique pourquoi ils ont été manqués dans les enquêtes précédentes.
En comparant les densités numériques des quasars, l'équipe a conclu que les quasars à obstacle à la poussière sont au moins aussi courants que les quasars conventionnels connues précédemment. Cela signifie que le nombre de quasars brillants dans l'univers précoce est au moins deux fois plus élevé qu'on le pensait précédemment.
Le Dr Yoshiki Matsuoka de l'Université Ehime, qui a dirigé cette étude, États, États, « Cette découverte n'était possible qu'avec la combinaison unique de deux télescopes puissants. L'enquête large et sensible du télescope Subaru nous a permis de repérer des galaxies rares et lumineuses et JWST a pu attraper la faible lumière infrarouge des quasars cachés. Cela montre à quel point l'approche de «Discover avec Subaru Telescope, explore avec James Webb» peut être. »
Perspectives futures
L'équipe prévoit deux directions principales pour de futures recherches. Premièrement, ils prévoient de suivre les quasars obscurcis pour voir s'ils diffèrent fondamentalement des conventionnels. Les spectres JWST contiennent des lignes d'émission de divers éléments, révélant les conditions physiques près des trous noirs. Ils prévoient également d'utiliser le télescope Alma pour étudier les galaxies hôtes en détail.
Deuxièmement, l'équipe vise à étendre la recherche de trous noirs cachés à une population plus large de galaxies, y compris les moins lumineuses, afin de révéler la population complète de trous noirs supermassifs dans l'univers précoce. Ils ont déjà un nouveau programme JWST approuvé et les prochaines observations devraient commencer au début de l'année prochaine.
