En utilisant les capacités d'enquête larges du télescope Subaru, les astronomes ont découvert des trous noirs supermassifs actifs, ou quasars, dans l'univers lointain, puis les ont étudiés avec le télescope spatial James Webb (JWST). Ce travail a révélé comment les galaxies et leurs trous noirs centraux ont augmenté il y a 12,9 milliards d'années.
D'après les observations de JWST, l'équipe a constaté que les galaxies hôtes de ces quasars sont déjà devenues massives, mais maintenant leur formation d'étoiles se termine. Cela fournit des preuves clés que les trous noirs supermassifs ont joué un rôle majeur dans la formation des galaxies les plus anciennes et les plus rapides.
Cette découverte a été rendue possible en combinant la capacité d'enquête du télescope Subaru avec la sensibilité inégalée de JWST dans les longueurs d'onde infrarouges. L'œuvre est publiée dans la revue Astronomie naturelle.
Dans les centres des galaxies se trouvent des trous noirs supermassifs, avec des masses allant de quelques centaines de mille fois à des dizaines de milliards de fois la masse du soleil.
Les trous noirs sont généralement classés en trous noirs de masse stellaire et en trous noirs supermassifs. Les trous noirs de masse stellaire se forment à la fin de la vie d'une étoile, tandis que les trous noirs supermassifs résident dans les centres des galaxies. On pense que des trous noirs supermassifs se sont formés au cours des premiers stades de la formation de la galaxie et se sont développés en accroisant la matière environnante sur les échelles de temps cosmiques.
Lorsqu'elles sont actives, ces trous noirs émettent d'énormes quantités d'énergie car elles accusent la matière environnante, ce qui les rend visibles comme des quasars extrêmement brillants.
Les observations de l'univers voisine montrent une forte corrélation entre la masse d'une galaxie et sa masse centrale du trou noir, suggérant que les galaxies et les trous noirs se sont développés ensemble pendant le temps cosmique – un processus appelé «co-évolution». Cependant, quand et comment cette co-évolution a commencé est restée claire. Pour comprendre ses premiers stades, les astronomes doivent observer des galaxies lointaines dans l'univers précoce et démêler les contributions par leurs étoiles de l'activité du trou noir.
Une équipe internationale comprenant des chercheurs du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) à l'Université de Tokyo et de l'Observatoire astronomique du Japon a observé deux quasars, J2236 + 0032 et J1512 + 4422 Spectrographe (NIRSPEC).
Ces quasars ont été découverts par le biais du programme stratégique Hyper Suprime-Cam Subaru (HSC-SSP), une enquête d'imagerie à large champ au télescope Subaru, et figuraient parmi les objectifs suivis lors de la première année des opérations scientifiques de JWST.
L'équipe a détecté avec succès non seulement la lumière vive des quasars, mais aussi, de façon inattendue, des lignes d'absorption d'hydrogène neutre résultant des étoiles de leurs galaxies hôtes. Des analyses détaillées de ces lignes d'absorption ont révélé que les galaxies ont formé très peu de nouvelles étoiles ces derniers temps, ce qui suggère qu'un éclatement majeur de formation d'étoiles s'est produit plusieurs centaines de millions d'années plus tôt, après quoi la croissance de la galaxie a ralenti ou a presque cessé.
J2236 + 0032 et J1512 + 4422 sont parmi les plus éloignés de telles galaxies. Ce changement dramatique dans les états des galaxies peut avoir été causé par le rayonnement intense émis par les trous noirs centraux.
Des analyses combinées des données d'imagerie infrarouge proche de JWST ont montré que les galaxies hôtes de J2236 + 0032 et J1512 + 4422 sont massives, contenant respectivement l'équivalent de 60 milliards et 40 milliards de masses solaires en étoiles.
« Il était totalement inattendu de trouver de telles galaxies matures dans l'univers moins d'un milliard d'années après le Big Bang », explique le Dr Masafusa Onoue (Kavli IPMU, WPI / Waseda University, Waseda Institute for Advanced Study), auteur principal de l'étude. « Ce qui est encore plus remarquable, c'est que ces galaxies » mourantes « hébergent toujours des trous noirs supermassifs actifs. »
Des études antérieures ont suggéré que l'activité des trous noirs supermassive peut supprimer la croissance de leurs galaxies hôtes et passer la transition de la formation d'étoiles active à une phase de repos. Cette découverte capture ce processus en action, fournissant un nouvel indice pour comprendre l'histoire de la croissance complexe des galaxies et des trous noirs dans le premier univers. Il s'agit également d'une réalisation japonaise unique, rendue possible en combinant la puissante capacité d'enquête du télescope Subaru avec la sensibilité exceptionnelle de JWST.
S'appuyant sur cette découverte, l'équipe de recherche poursuit des analyses détaillées des données JWST et planifie les observations futures pour enquêter davantage sur la mystérieuse relation entre les galaxies et les trous noirs.
