Les astronomes utilisant le Télescope spatial James Webb (JWST) a peut-être découvert le trou noir supermassif le plus éloigné jamais vu. L’énorme objet, hébergé par la galaxie GHZ2, est si loin que les astronomes le voient tel qu’il était 350 millions d’années seulement après le Big Bang.
Les recherches de l’équipe, téléchargées sur le serveur de prépublication arXiv Le 4 novembre, mais pas encore évalué par les pairs, a utilisé les observations du spectrographe proche infrarouge et de l’instrument infrarouge moyen de JWST. Ces instruments couvrent une large gamme de longueurs d’onde et peuvent détecter la lumière ultraviolette et optique émise à l’origine par la galaxie lointaine, qui s’est étendue dans l’infrarouge en raison de l’expansion de l’univers.
Secrets des lignes
Depuis la découverte de GHZ2 en 2022, les astronomes ont utilisé JWST pour trouver de nombreuses galaxies lointaines. Cependant, GHZ2 se distingue par le fait que son spectre présente des « raies d’émission » très intenses : des bandes lumineuses de lumière émises par certains atomes ou ions lorsque leurs électrons sont excités et libèrent ensuite de l’énergie à des longueurs d’onde spécifiques. Ces lignes contiennent des indices sur les processus qui alimentent GHZ2.
« Nous observons des raies d’émission qui nécessitent beaucoup d’énergie pour être produites, appelées raies à haute ionisation », Jorge Zavalaprofesseur adjoint au département d’astronomie de l’Université du Massachusetts à Amherst et co-auteur de l’étude, a déclaré à Live Science dans un e-mail.
Zavala a expliqué que la compréhension actuelle de l’ionisation du gaz – le chauffage du gaz qui transforme les atomes en ions en perdant ou en gagnant des électrons – est basée principalement sur les régions de formation d’étoiles proches et ne tient généralement pas compte des raies intenses d’ionisation élevée. Ces lignes, et les relations entre elles, se trouvent souvent dans les noyaux galactiques actifs (AGN), qui contiennent nourrir activement les trous noirs en leurs centres, avec un rayonnement beaucoup plus énergétique présent.
Un indice crucial a été la détection de la raie d’émission C IV λ1548, qui provient du carbone triplement ionisé, c’est-à-dire des atomes de carbone qui ont perdu trois électrons. « La suppression de trois électrons nécessite un champ de rayonnement extrêmement intense, ce qui est très difficile à obtenir avec les étoiles seules », a déclaré Chavez Ortiz. Un AGN produit naturellement de tels photons à haute énergie. La force de cette ligne suggère fortement que GHZ2 pourrait héberger un trou noir qui se nourrit activement, ce qui a motivé les chercheurs à effectuer une analyse approfondie.
Un système mixte
GHZ2 étant un système inhabituel qui défie les modèles existants, les chercheurs ont dû développer des modèles détaillés pour correspondre à son comportement unique et comprendre les contributions des étoiles et de l’AGN à la lumière de la galaxie. Ce processus impliquait de tester et d’améliorer les modèles à plusieurs reprises pour garantir qu’ils représentaient avec précision les propriétés de la galaxie.
Leur analyse a révélé que si les raies spectrales de la lumière visible pouvaient s’expliquer uniquement par la formation d’étoiles, la raie du carbone particulièrement forte nécessitait la présence d’un AGN. Cette découverte suggère qu’une partie de la lumière de la galaxie montre les contributions d’un trou noir supermassif affamé.
Cependant, Zavala a noté que GHZ2 manquait d’autres indicateurs d’un AGN. Cela signifie que la galaxie pourrait être alimentée principalement par des étoiles – si ces étoiles étaient supermassives, avec des masses des centaines, voire des milliers de fois supérieures à celles du soleil, ou si la formation d’étoiles dans GHZ2 s’est produite très différemment de ce que nous comprenons actuellement.
Une autre possibilité est que la lumière de la galaxie provienne en partie d’étoiles normales et en partie de sources plus exotiques, comme des étoiles supermassives ou un AGN.
Pour confirmer davantage l’activité AGN, les chercheurs prévoient d’obtenir davantage d’observations JWST afin de collecter des spectres à plus haute résolution de certaines raies d’émission. De plus, les observations du grand réseau millimétrique/submillimétrique d’Atacama qui couvrent les raies spectrales dans l’infrarouge lointain pourraient améliorer la sensibilité de l’ensemble de données.
S’il est confirmé, GHZ2 hébergerait le trou noir supermassif le plus éloigné jamais identifié. La détection des signes d’activité AGN dans cette galaxie offre un laboratoire naturel rare pour tester les modèles « graines légères » et « graines lourdes » de la formation et de la croissance des trous noirs quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang.
