Des chercheurs utilisant le télescope spatial James Webb ont étudié l'interaction d'un quasar avec des galaxies satellites, révélant des informations cruciales sur la croissance des galaxies de l'univers primitif, la masse des trous noirs et l'évolution chimique. (Concept d'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Un groupe de recherche international a utilisé le Télescope spatial James Webb pour assister à l'interaction dramatique entre un quasar à l'intérieur du système PJ308–21 et de deux galaxies satellites massives dans l'univers lointain
Cette recherche a révélé des détails importants sur la formation des galaxies, la masse et la croissance des trous noirs supermassifs et les propriétés chimiques de ces corps célestes, marquant une étape majeure dans la compréhension de l’histoire cosmique.
Une équipe internationale dirigée par l'Institut national italien d'astrophysique (INAF) et composée de 34 instituts de recherche et universités du monde entier a utilisé le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) à bord du télescope spatial James Webb (JWST) pour observer l'interaction spectaculaire entre un quasar à l'intérieur du système PJ308-21 et deux galaxies satellites massives dans l'univers lointain. Les observations, menées en septembre 2022, ont dévoilé des détails sans précédent et impressionnants, offrant de nouvelles perspectives sur la croissance des galaxies dans l'univers primitif. Les résultats ont été présentés lors de la réunion 2024 de la Société européenne d'astronomie (EAS) à Padoue (Italie) et publiés le 5 juillet dans Astronomie et astrophysique.
Dévoilement de la dynamique des quasars et des galaxies
Les observations de ce quasar (déjà décrit par les mêmes auteurs dans une autre étude publiée en mai dernier), l'un des premiers étudiés avec NIRSpec lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années (décalage vers le rouge z = 6,2342), ont révélé des données d'une qualité sensationnelle : l'instrument a « capturé » le spectre du quasar avec une incertitude de moins de 1 % par pixel. La galaxie hôte de PJ308–21 présente une métallicité élevée et des conditions de photoionisation typiques d'un noyau galactique actif (AGN), tandis que l'une des galaxies satellites présente une faible métallicité (qui fait référence à l'abondance d'éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène et l'hélium) et une photoionisation induite par la formation d'étoiles ; une métallicité plus élevée caractérise la deuxième galaxie satellite, qui est partiellement photoionisée par le quasar.
Carte de l'émission de raies d'hydrogène (en rouge et bleu) et d'oxygène (en vert) dans le système PJ308-21, affichée après masquage de la lumière du quasar central (« QSO »). Les différentes couleurs de la galaxie hôte du quasar et des galaxies compagnes sur cette carte révèlent les propriétés physiques du gaz qu'elles contiennent. Crédit : Decarli/INAF/A&A 2024
Un aperçu de l'évolution cosmique
Cette découverte a permis aux astronomes de déterminer la masse de l'étoile supermassive. trou noir au centre du système (environ 2 milliards de masses solaires). Elle a également confirmé que le quasar et les galaxies environnantes sont très évolués en termes de masse et d'enrichissement en métaux, et en croissance constante. Cela a de profondes implications pour notre compréhension de l'histoire cosmique et de l'évolution chimique des galaxies, soulignant l'impact transformateur de cette recherche.
Progrès techniques dans les observations spatiales
Roberto Decarli, chercheur à l'INAF de Bologne et premier auteur de l'article, explique : « Notre étude révèle que les trous noirs au centre des quasars à fort décalage vers le rouge et les galaxies qui les hébergent connaissent une croissance extrêmement efficace et tumultueuse dès le premier milliard d'années de l'histoire cosmique, aidée par le riche environnement galactique dans lequel ces sources se forment. »
Les données ont été obtenues en septembre 2022 dans le cadre du programme 1554, l'un des neuf projets italiens du premier cycle d'observation du JWST. Decarli dirige ce programme pour observer la fusion entre la galaxie hébergeant le quasar (PJ308-21) et deux de ses galaxies satellites.
Carte de l'émission d'oxygène ionisé dans le système PJ308-21, observée avec le télescope spatial James Webb. Chaque image montre une plage de vitesse différente. Dans l'animation, nous voyons la structure tridimensionnelle complexe du système et la « danse cosmique » des galaxies satellites autour du quasar. Crédit : Decarli/INAF/A&A 2024
Faire progresser l'astrophysique avec le télescope spatial James Webb
Les observations ont été réalisées en mode spectroscopie de champ intégral : pour chaque pixel de l'image, on peut observer le spectre de toute la bande optique (dans le référentiel de repos de la source), décalé vers l'infrarouge par l'expansion de l'univers. Cela permet d'étudier différents traceurs de gaz (raies d'émission) en utilisant une approche 3D. Grâce à cette technique, l'équipe dirigée par l'INAF a détecté des émissions spatialement étendues de différents éléments, qui ont été utilisées pour étudier les propriétés du milieu interstellaire ionisé, notamment la source et la dureté du champ de rayonnement photoionisant, la métallicité, l'obscurcissement par la poussière, la densité et la température des électrons et le taux de formation d'étoiles. En outre, les chercheurs ont détecté marginalement l'émission de lumière stellaire associée à des sources compagnes.
Federica Loiacono, astrophysicienne, chercheuse et postdoctorante à l’INAF, commente avec enthousiasme les résultats : « Grâce à NIRSpec, nous pouvons pour la première fois étudier dans le système PJ308-21 la bande optique, riche en données diagnostiques précieuses sur les propriétés du gaz à proximité du trou noir dans la galaxie qui abrite le quasar et dans les galaxies environnantes. Nous pouvons voir, par exemple, l’émission d’atomes d’hydrogène et la comparer aux éléments chimiques produits par les étoiles pour établir la richesse en métaux du gaz des galaxies. L’expérience acquise dans la réduction et l’étalonnage de ces données, parmi les premières collectées avec NIRSpec en mode spectroscopie de champ intégral, a assuré un avantage stratégique à la communauté italienne dans la gestion de données similaires provenant d’autres programmes. » Federica Loiacono est la personne de contact italienne pour la réduction des données NIRSpec au Centre de support JWST de l’INAF.
Orientations et implications futures
Elle ajoute : « Grâce à la sensibilité du télescope spatial James Webb dans le proche et le moyen infrarouge, il a été possible d’étudier le spectre des quasars et des galaxies compagnes avec une précision sans précédent dans l’univers lointain. Seule l’excellente « vue » offerte par le JWST, avec ses capacités inégalées, peut garantir ces observations. » Ce travail a représenté un véritable « roller-coaster émotionnel », poursuit Decarli, « avec la nécessité de développer des solutions innovantes pour surmonter les difficultés initiales de réduction des données. »
L’impact transformateur des instruments embarqués sur le télescope spatial James Webb souligne son rôle crucial dans l’avancement de la recherche astrophysique : « Il y a encore quelques années, les données sur l’enrichissement des métaux (essentielles pour comprendre l’évolution chimique des galaxies) étaient quasiment hors de notre portée, surtout à ces distances. Aujourd’hui, nous pouvons les cartographier en détail en quelques heures d’observation, même dans les galaxies observées lorsque l’univers était encore à ses balbutiements », conclut Decarli.
