Le télescope spatial James Webb (JWST) a observé la lumière des étoiles entourant certains des anciens trous noirs supermassifs de l’univers – des trous noirs tels qu’ils étaient moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
Les observations réalisées par une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) abordent la question de savoir comment ces titans cosmiques, assis au cœur des galaxies, ont atteint des masses énormes, équivalentes à des millions (parfois même des milliards) de soleils. Plus précisément, comment ont-ils pu croître 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 avec voracité de la matière environnante et génèrent d’énormes forces de marée dans un disque de matière appelé disque d’accrétion, faisant briller le disque lui-même. Cette situation d’alimentation alimente des objets appelés quasars, qui se trouvent au cœur des galaxies actives. Les quasars font partie des objets les plus lumineux du cosmos, certains étant si brillants qu’ils éclipsent la lumière combinée de toutes les étoiles des galaxies qui les entourent.
Les trous noirs supermassifs sont également entourés de mystère, en particulier lorsqu’ils sont observés il y a plus d’un milliard d’années au cours des 13,8 milliards d’années d’histoire de l’univers. En effet, le processus continu de fusion des trous noirs, par lequel les scientifiques pensent que les trous noirs supermassifs se développent au fil du temps, devrait prendre plusieurs milliards d’années. Alors, comment ces vides géants ont-ils pu exister seulement environ 1 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 ce qu’on appelle des trous noirs à « graines lourdes ».
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En utilisant JWST pour observer la faible lumière provenant des étoiles des galaxies hôtes de six anciens quasars, l’équipe du MIT a rassemblé pour la première fois 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”, explique Anna-Christina Eilers, membre de l’équipe et professeur adjoint de physique au MIT. a déclaré 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’aujourd’hui.”
Qu’est-ce qui est arrivé en premier ? Le trou noir ou sa galaxie ?
Découvert dans les années 1960, on pensait à l’origine que l’intense luminosité des quasars provenait d’un seul point semblable à une étoile. Cela a conduit au nom « quasar », qui est un portemanteau du terme « objet quasi-stellaire ». Cependant, les scientifiques ont rapidement découvert que les quasars sont en réalité causés par d’énormes quantités de matière qui s’accumulent dans des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies.
Cependant, ces objets sont également entourés d’étoiles beaucoup plus faibles et plus difficiles à observer. En effet, cette lumière stellaire est atténuée par la lumière plus forte du quasar autour duquel les étoiles gravitent. Ainsi, séparer la lumière des quasars et la lumière des étoiles qui les entourent n’est pas une mince affaire, tout comme voir la lumière des lucioles posées sur la lampe d’un phare à environ un kilomètre de là.
Cependant, la capacité du JWST à regarder plus loin dans le temps que n’importe quel télescope précédent, combinée à sa sensibilité et sa résolution élevées, a rendu ce défi moins intimidant. Ainsi, l’équipe du MIT a réussi à observer la lumière qui voyageait vers la Terre depuis environ 13 milliards d’années à partir de six quasars d’anciennes galaxies.
“Le quasar surpasse sa galaxie hôte de plusieurs ordres de grandeur. Et les images précédentes n’étaient pas assez nettes pour distinguer à quoi ressemble la galaxie hôte avec toutes ses étoiles”, a déclaré Minghao Yue, membre de l’équipe, chercheur postdoctoral à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. , dit. “Maintenant, pour la première fois, nous sommes en mesure de révéler la lumière de ces étoiles en modélisant très soigneusement les images beaucoup plus nettes de ces quasars prises par JWST.”
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 décrit quelle quantité de cette lumière pourrait être attribuée à une source ponctuelle compacte – le disque d’accrétion autour du trou noir – et quelle quantité pourrait être attribuée à une source plus diffuse – les étoiles dispersées autour du trou noir. galaxie.
En divisant la lumière en deux sources, l’équipe a également pu déduire la masse des deux éléments dans ces galaxies. Cela a révélé que les trous noirs supermassifs ont des masses égales à environ 10 % de celles des étoiles qui les entourent.
Bien que cela puisse ressembler à 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 celle des étoiles des galaxies environnantes.
“Cela nous dit quelque chose sur ce qui grandit en premier : le trou noir grandit-il d’abord, puis la galaxie rattrape son retard ? Ou est-ce que la galaxie et ses étoiles grandissent en premier et dominent et régulent la croissance du trou noir ?” dit Eilers. “Nous constatons que les trous noirs dans l’univers primitif semblent croître plus rapidement que leurs galaxies hôtes.
“C’est une preuve préliminaire que les graines primordiales des trous noirs auraient pu être plus massives à l’époque.”
“Après la création de l’univers, il y a eu des graines de trous noirs, qui ont ensuite consommé de la matière et se sont développées en très peu de temps. L’une des grandes questions est de comprendre comment les trous noirs monstrueux ont pu croître si gros, si vite”, a déclaré Yue. conclu. “Il doit y avoir un mécanisme permettant à un trou noir d’acquérir sa masse plus tôt que sa galaxie hôte au cours du premier milliard d’années.
“C’est en quelque sorte la première preuve que nous voyons à ce sujet, ce qui est passionnant.”
Les résultats de l’équipe sont publiés dans la revue d’astrophysique.
