Le télescope spatial James Webb (JWST) a observé la lumière des étoiles entourant certains des anciens trous noirs supermassifs de l’univers, trous noirs tels qu’ils étaient moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
Les observations d’une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) abordent la question de savoir comment ces géantes cosmiques situées au cœur des galaxies se transforment en masses massives, équivalentes à des millions (parfois des milliards) de soleils. Plus précisément, comment a-t-il grandi si rapidement ? Les résultats pourraient également répondre à l’énigme : qu’est-ce qui est venu en premier, la galaxie ou le trou noir supermassif ?
Les trous noirs supermassifs observés par l’équipe du MIT se nourrissent insatiablement de la matière qui les entoure, générant d’énormes forces de marée dans un disque de matière appelé disque d’accrétion, faisant briller le disque lui-même. Cet état d’alimentation alimente des objets appelés quasars, situés au cœur des galaxies actives. Les quasars font partie des objets les plus brillants de l’univers, et certains sont si brillants qu’ils surpassent la lumière combinée de toutes les étoiles des galaxies qui les entourent.
Les trous noirs supermassifs sont également entourés de mystère, surtout lorsqu’ils sont observés un milliard d’années avant les 13,8 milliards d’années d’histoire de l’univers. En effet, le processus de fusion continue des trous noirs, dont les scientifiques pensent que les trous noirs supermassifs se développent avec le temps, doit prendre plusieurs milliards d’années pour démarrer. Alors, comment ces vides géants ont-ils pu exister seulement environ un milliard d’années après le Big Bang ?
Eh bien, une suggestion est qu’ils ont pris une longueur d’avance, en se formant à partir de trous noirs dits « à graines lourdes ».
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En utilisant le télescope spatial James Webb pour observer la faible lumière provenant des étoiles des galaxies abritant six anciens quasars, l’équipe du MIT a, pour la première fois, rassemblé des preuves que les trous noirs supermassifs de l’univers primitif se sont en réalité développés à partir de graines lourdes.
« Ces trous noirs sont des milliards de fois plus massifs que le Soleil, à une époque où l’univers en est encore à ses balbutiements », a déclaré Anna-Christina Ehlers, membre de l’équipe et professeur adjoint de physique au MIT. Il a dit dans un communiqué. « Nos résultats suggèrent que dans l’univers primitif, les trous noirs supermassifs auraient pu gagner en masse avant leurs galaxies hôtes, et que les graines primordiales des trous noirs auraient pu être plus massives qu’elles ne le sont aujourd’hui. »
Qu’est-ce qui est arrivé en premier ? Trou noir ou sa galaxie ?
Découvert dans les années 1960, on pensait initialement que l’intense luminosité des quasars provenait d’un seul point semblable à une étoile. Cela a donné naissance au nom « quasar », qui est une traduction du terme « quasar » objet. Cependant, les chercheurs ont rapidement découvert que les quasars sont en réalité causés par l’accumulation de quantités massives de matière dans des trous noirs supermassifs situés au cœur des galaxies.
Cependant, ces objets sont également entourés d’étoiles, beaucoup plus faibles et difficiles à observer. En effet, cette lumière stellaire est atténuée par la lumière plus brillante du quasar autour duquel l’étoile orbite. Ainsi, séparer la lumière des quasars et la lumière des étoiles environnantes n’est pas facile, c’est comme voir la lumière de lucioles assises sur la lampe d’un phare à environ un kilomètre et demi de distance.
Cependant, la capacité du télescope spatial James Webb à voyager plus loin dans le temps que n’importe quel télescope précédent, associée à sa sensibilité et à sa résolution élevées, a rendu ce défi moins intimidant. Ainsi, l’équipe du MIT a pu observer la lumière voyageant vers la Terre il y a environ 13 milliards d’années à partir de six quasars d’anciennes galaxies.
« Le quasar surpasse la galaxie hôte de plusieurs ordres de grandeur. Les images précédentes n’étaient pas assez nettes pour discerner la forme de la galaxie hôte avec toutes ses étoiles », a déclaré Minghao Yu, chercheur postdoctoral à l’Institut Kavli d’astrophysique et d’espace du MIT. Recherche. Il a dit. « Maintenant, pour la première fois, nous sommes capables de détecter la lumière de ces étoiles en créant soigneusement les images JWST les plus nettes de ces quasars. »
Les données JWST comprenaient des mesures des émissions lumineuses de chacun des six quasars sur une gamme de longueurs d’onde. Ces informations ont ensuite été introduites dans un modèle informatique qui détaillait quelle quantité de cette lumière pouvait être attribuée à une source ponctuelle compacte – le disque d’accrétion autour du trou noir – et quelle quantité pouvait être attribuée à une source plus diffuse – les étoiles dispersées dans la galaxie. .
En divisant la lumière en deux sources, l’équipe a également pu déduire les masses des deux éléments dans ces galaxies. Cela a révélé que les trous noirs supermassifs ont des masses équivalentes à environ 10 % de la masse des étoiles qui les entourent.
Bien que cela puisse sembler être un énorme déséquilibre en faveur des étoiles, considérons que les trous noirs supermassifs centraux des galaxies modernes ont une masse de seulement 0,1 % de la masse des étoiles des galaxies qui les entourent.
« Cela nous apprend quelque chose sur ce qui grandit en premier : est-ce le trou noir qui grandit en premier, puis la galaxie suit ? Ou est-ce la galaxie et ses étoiles qui grandissent en premier, dominant et régulant la croissance du trou noir ? » dit Ehlers. « Nous constatons que les trous noirs du premier univers semblent croître plus rapidement que leurs galaxies hôtes.
« Il s’agit d’une preuve préliminaire que les graines primordiales des trous noirs auraient pu être beaucoup plus grosses à cette époque. »
« Après l’apparition de l’univers, il y avait des trous noirs primordiaux qui ont ensuite consommé de la matière et se sont développés en très peu de temps. L’une des grandes questions est de comprendre comment ces trous noirs géants ont pu croître si grand et si rapidement », a conclu Yu. « Il doit exister un mécanisme permettant au trou noir de gagner de la masse plus tôt que sa galaxie hôte au cours de ce premier milliard d’années.
« C’est en quelque sorte la première preuve que nous voyons de cela, ce qui est passionnant. »
Les résultats de l’équipe sont publiés dans Journal d’astrophysique.
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