Astronomes du Centre d'astrophysique | Harvard et Smithsonian ont proposé une nouvelle explication pour certaines des premières galaxies les plus déroutantes de l'univers, surnommée « Little Red Dots ».
Dans l'étude, publiée dans Les lettres de journal astrrophysiqueles auteurs Fabio Pacucci et Abraham (Avi) Loeb suggèrent que ces galaxies sont le résultat de halos de matière noire très lentement, une structure cosmique extrêmement rare.
Ces objets faibles et compacts, découverts dans les images de l'espace profond du télescope spatial James Webb (JWST), ont contesté la compréhension des scientifiques de la façon dont les galaxies et les trous noirs se sont formés dans le premier univers.
Leur article, « Les valeurs aberrantes cosmiques: les halos à faible spin expliquent l'abondance, la compacité et l'évolution du décalage vers le rouge des petits points rouges », offre une explication physique pour les propriétés distinctives des points.
« Les petits points rouges sont des galaxies distantes très compactes et rouges qui n'étaient pas détectées devant le télescope spatial James Webb », a déclaré Pacucci. « Ils sont sans doute la découverte la plus surprenante de JWST à ce jour. Nos travaux montrent que ceux-ci pourraient naturellement se former dans les halos de la matière noire avec une très faible rotation. »
Un puzzle dans l'univers précoce
Ces galaxies sont principalement visibles lorsque l'univers n'avait qu'un milliard d'années, mais s'est probablement formé beaucoup plus tôt, a déclaré Pacucci, pendant une période connue sous le nom de Cosmic Dawn. Bien qu'ils soient environ un dixième de la taille des galaxies typiques, les observations astronomiques montrent qu'elles semblent inhabituellement brillantes. Les astronomes croient que leur couleur rouge frappante suggère qu'ils sont enveloppés de poussière ou remplis d'étoiles plus anciennes.
Pendant des années, les astronomes se débattent si la lumière que nous observons à partir de ces objets est générée par des étoiles ou des trous noirs supermassifs centraux.
« C'est un mystère fondamental », a déclaré Pacucci. « S'ils contiennent des trous noirs, ces trous noirs sont énormes pour de si petites galaxies. Mais s'ils ne contiennent que des étoiles, les galaxies sont trop compactes pour les contenir, atteignant des densités stellaires centrales qui sont impensables. »
Plutôt que de se concentrer sur les pouvoirs des points lumineux, Pacucci et Loeb ont adopté une approche différente: ils ont examiné comment ces objets pourraient se former en premier lieu.
Le cycle à faible spin
Les halos de la matière noire sont l'échafaudage invisible et tournant autour desquels les galaxies se forment. Dans leur article, les auteurs montrent que les points lumineux se forment dans des halos qui sont dans le plus bas 1% de la distribution de spin. En d'autres termes, 99% de tous les halos tournent plus rapidement que ceux-ci. Ces halos à faible spin créeraient naturellement des galaxies extrêmement compactes. Tout comme les balançoires à un carnaval, plus le halo tourne plus vite, plus les balançoires s'étendent, ce qui fait se développer la galaxie en son centre; De même, une rotation lente maintient le rayon des balançoires plus petit.
Cette hypothèse explique également pourquoi les points lumineux sont relativement rares: ils ne représentent que 1% de l'abondance de galaxies typiques, mais sont plus courantes que les quasars, les trous noirs supermassifs des centres extrêmement brillants qui brillent au centre de certaines galaxies.
De plus, il aide à clarifier pourquoi des points lumineux ne sont observés que pendant une brève période de 1 milliard d'années dans l'univers précoce. Au fur et à mesure que l'univers évolue, les halos de matière noire deviennent plus grands et gagnent plus de moment angulaire, ce qui rend plus difficile de former des galaxies compactes et à faible spin.
« Les halos de matière noire se caractérisent par une vitesse de rotation: certains d'entre eux tournent très lentement, et d'autres tournent plus rapidement », a déclaré Loeb. « Nous avons montré que si vous supposez que les petits points rouges sont généralement dans le premier centile de la distribution de spin des halos de matière noire, vous expliquez toutes leurs propriétés d'observation. »
Environnements principaux pour les trous noirs
Bien que le papier ne résout pas si peu de points rouges sont alimentés par des étoiles ou des trous noirs, il suggère que ce sont des environnements de premier ordre pour une croissance rapide des trous stellaires ou des noirs.
« Les halos à faible teneur en spin ont tendance à concentrer la masse au centre, ce qui permet à un trou noir d'accréter plus facilement ou à la formation rapide des étoiles », a déclaré Pacucci.
Certains points présentent de larges lignes d'émission dans leurs spectres, qui sont des signes possibles de trous noirs actifs, mais ils n'ont pas l'émission de rayons X généralement associée. Pacucci mène de nouveaux programmes pour mieux comprendre la nature de ces sources astrophysiques particulières. Par exemple, trouver des galaxies à proximité similaires clarifiera ce qu'elles évolueront en plus dans l'espace.
« Notre travail est une étape vers la compréhension de ces objets mystérieux », a-t-il déclaré. « Ils pourraient nous aider à comprendre comment les premiers trous noirs se sont formés et ont co-évolué avec des galaxies dans l'univers précoce. »
