La toute première observation de la lumière d’une étoile depuis une galaxie hébergeant l’un des quasars les plus éloignés connus a révélé une bizarrerie astronomique.
Les quasars – des noyaux galactiques incroyablement brillants – doivent leur éclat à la chaleur intense qui se produit lorsque le gaz tourbillonne autour d'un grand trou noir. Le trou noir qui alimente un quasar situé à 13 milliards d’années-lumière de la Terre est deux fois moins massif que toutes les étoiles qui l’entourent – un rapport record pour une galaxie hôte quasar, rapportent les astronomes dans un article soumis le 14 octobre à arXiv.org.
Toutes les tentatives précédentes pour apercevoir la galaxie hôte avec le télescope spatial Hubble ont échoué. Les astronomes ont donc visé le télescope spatial James Webb, ou JWST (SN : 20/06/23).
Le quasar, nommé ULAS J1120+0641 et le quatrième le plus éloigné connu, surpasse sa galaxie plus de 100 fois (SN : 29/06/11). « Cela rend très difficile la mesure du [light] de la galaxie hôte », explique Minghao Yue, astronome au MIT, membre de l’équipe. Mais au cours des 13 milliards d'années pendant lesquelles la lumière du quasar s'est dirigée vers nous, l'expansion de l'univers a étiré les ondes lumineuses de plus de 700 %. Ainsi, nous voyons la lumière visible du quasar dans les longueurs d'onde infrarouges, là où JWST effectue la plupart de ses observations.
Selon les astronomes, le trou noir qui alimente le quasar est 1,4 milliard de fois plus massif que le soleil, conformément aux estimations précédentes. La nouveauté est la détection de la galaxie hôte, dont les étoiles totalisent 2,6 milliards de masses solaires. C'est peu comparé à la Voie lactée, dont la masse stellaire est d'environ 60 milliards de masses solaires. Mais à l’époque où nous observons le quasar, environ 750 millions d’années après le Big Bang, toutes les galaxies étaient jeunes, et même la plupart des plus grandes galaxies contenaient moins d’étoiles que les géantes modernes comme la nôtre.
Ce qui saute vraiment aux yeux, c'est le poids relatif du trou noir : il pèse 54 % de la masse stellaire de sa galaxie, contre seulement 0,1 % environ pour les trous noirs centraux des galaxies géantes modernes. « Cela signifie que la coévolution entre les trous noirs et leurs hôtes dans l'univers primitif doit être très différente » de celle des galaxies modernes, explique Yue.
Avi Loeb, astronome de l’Université Harvard, est du même avis. Il pense que le rayonnement du quasar a supprimé la formation d'étoiles dans la galaxie hôte en chauffant son gaz (SN : 16/08/24). Pour s’effondrer et créer des étoiles, le gaz interstellaire doit être glacial ; sinon, la pression thermique vers l’extérieur empêche le gaz de s’effondrer en nouvelles étoiles. « Si je devais deviner, dit-il, le gaz n’est pas assez froid pour produire beaucoup d’étoiles. »
Le quasar s'arrêtera à l'avenir, dit Loeb. Le gaz de la galaxie environnante peut alors se refroidir et former des étoiles, augmentant ainsi la masse stellaire de la galaxie. Si nous pouvions voir la galaxie telle qu’elle est aujourd’hui, la masse de son trou noir par rapport à sa masse stellaire pourrait très bien correspondre à celle des galaxies géantes proches de nous.
Malheureusement, dit Yue, le nouveau travail n'aborde pas le mystère de la façon dont ces énormes trous noirs sont devenus si gros si peu de temps après le Big Bang (SN : 18/01/21). Mais les observations montrent bien qu’une autre galaxie entre en collision avec celle qui héberge le quasar. La collision répand probablement du gaz dans le trou noir, augmentant sa masse déjà considérable et éclairant également le quasar afin que les astronomes puissent le voir sur une si grande distance.
