À l’aide du télescope spatial James Webb, les astronomes ont remonté 13 milliards d’années en arrière pour découvrir des quasars étonnamment solitaires et supermassifs alimentés par des trous noirs.
Les observations du télescope spatial James Webb (JWST) prêtent à confusion, car les trous noirs isolés devraient avoir du mal à rassembler suffisamment de masse pour atteindre le statut supermassif, en particulier quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Cette découverte brouille encore davantage les pistes lorsqu’il s’agit de comprendre comment certains trous noirs ont atteint des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de soleils, alors que l’univers avait moins d’un milliard d’années.
Ces découvertes ont été réalisées après qu’une équipe de scientifiques a utilisé le JWST pour étudier les environnements de cinq des premiers quasars connus, qui se sont formés lorsque le cosmos avait entre 600 et 700 millions d’années. L’équipe a découvert que les environs de ces quasars, appelés « champs de quasars », étaient étonnamment variés. Certains étaient des environnements densément peuplés prédits par les scientifiques, mais d’autres étaient des « garde-manger vides » peu peuplés qui auraient du mal à alimenter la croissance de trous noirs supermassifs.
« Contrairement à ce que l’on pensait auparavant, nous constatons qu’en moyenne, ces quasars ne se trouvent pas nécessairement dans les régions les plus denses de l’univers primitif. Certains d’entre eux semblent se trouver au milieu de nulle part », explique Anna-Christina Eilers, professeure adjointe de recherche. physique au Massachusetts Institute of Technology, a déclaré dans un communiqué. « Il est difficile d’expliquer comment ces quasars ont pu devenir si gros s’ils semblent n’avoir rien pour se nourrir. »
Les quasars ont besoin de garde-manger pleins
On pense que des trous noirs supermassifs se cachent au cœur de toutes les grandes galaxies de l’univers relativement moderne. Parce qu’aucune étoile n’est assez grande pour s’effondrer et que les trous noirs ont des masses aussi monstrueuses, les scientifiques savent que les trous noirs supermassifs doivent se former de différentes manières que les soi-disant « trous noirs de masse stellaire » avec des masses comprises entre 10 et 100 fois celle du soleil, né de la mort d’étoiles massives.
Les trous noirs supermassifs pourraient se développer grâce à la fusion progressive de trous noirs de plus en plus grands, suggèrent les modèles. Cependant, le problème est que ce processus devrait prendre plus d’un milliard d’années. Pourtant, le JWST observe des trous noirs supermassifs qui se sont formés en bien moins de temps.
Il est possible de voir ces trous noirs supermassifs car ils se trouvent dans des environnements immédiats turbulents riches en gaz appelés noyaux galactiques actifs (AGN) dont ils se nourrissent. Cela facilite également leur croissance. L’immense masse des trous noirs dans ces environnements fait briller les nuages aplatis de gaz et de poussière autour d’eux, éclipsant souvent la lumière combinée de toutes les étoiles de la galaxie qui les abrite. Cette lumière, des milliards de fois plus brillante que le soleil, indique un quasar.
Cependant, les trous noirs supermassifs ont besoin d’un « service de livraison » pour maintenir leur environnement immédiat bien approvisionné en gaz et en poussière afin d’atteindre cette incroyable luminosité.
« C’est tout simplement phénoménal que nous ayons maintenant un télescope capable de capturer avec autant de détails la lumière d’il y a 13 milliards d’années », a déclaré Eilers. « Pour la première fois, JWST nous a permis d’observer l’environnement de ces quasars, l’endroit où ils ont grandi et à quoi ressemblait leur quartier. »
Pour étudier l’environnement plus large des quasars, l’équipe a sélectionné cinq régions alimentées par des trous noirs supermassifs étudiées par le JWST entre août 2022 et juin 2023. Cela a nécessité de « assembler » plusieurs images pour créer une mosaïque de champs de quasars pour chaque quartier de trou noir supermassif.
En traitant les multiples longueurs d’onde de la lumière dans les images, il a également été possible de déterminer si la lumière provenait d’une galaxie voisine d’un quasar et de mesurer à quelle distance cette galaxie était originaire du quasar central brillant.
« Nous avons constaté que la seule différence entre ces cinq quasars est que leurs environnements sont très différents », a déclaré Eilers. « Par exemple, un quasar a près de 50 galaxies autour de lui, tandis qu’un autre n’en a que deux. Et les deux quasars ont la même taille, le même volume, la même luminosité et la même durée que l’univers.
« C’était vraiment surprenant à voir. »
Les premiers trous noirs supermassifs ont-ils connu des « poussées de croissance » ?
Les découvertes de l’équipe remettent en question l’idée d’une croissance de trous noirs supermassifs, et même de la formation de galaxies dans leur ensemble. La compréhension actuelle est que cette évolution a été guidée par un vaste « réseau cosmique » de matière noire ; la matière noire représente environ 85 % de toute la matière mais reste effectivement invisible pour nous.
Des filaments de matière noire dans la toile cosmique guidaient le gaz et la poussière dans l’univers primitif, attirant la matière primordiale le long de ses vastes vrilles. Là où les brins de cette toile cosmique se rencontraient, des régions de matière trop denses s’accumulaient. Ici, les premières galaxies ont été construites et les premiers quasars devraient être découverts.
« Le réseau cosmique de matière noire est une prédiction solide de notre modèle cosmologique de l’univers, et il peut être décrit en détail à l’aide de simulations numériques », a déclaré le chef de l’équipe Elia Pizzati, étudiant diplômé à l’Université de Leiden, dans le communiqué. « En comparant nos observations à ces simulations, nous pouvons déterminer où se trouvent les quasars dans la toile cosmique. »
Les trous noirs supermassifs situés à ces nœuds de la toile cosmique devraient croître via l’accrétion constante et rapide de gaz et de poussière fournis par la toile cosmique comme un Grub Hub galactique – cela permettrait aux quasars d’atteindre des masses monstrueuses et une luminosité extrême – mais les scientifiques Nous avons encore besoin de savoir comment cela s’est produit si tôt dans l’histoire de l’univers.
« La principale question à laquelle nous essayons de répondre est la suivante : comment ces trous noirs d’un milliard de masse solaire se forment-ils à une époque où l’univers est encore très, très jeune ? Il en est encore à ses balbutiements », a déclaré Eilers.
Malheureusement, cette recherche semble avoir soulevé plus de questions qu’elle n’a répondu à celles qui préoccupaient déjà les scientifiques. Les quartiers arides semblent signifier un manque de matière noire et une surdensité de nœuds cosmiques. Si tel est le cas, les théories actuelles sur les mécanismes de croissance ne peuvent pas rendre compte de ces quasars.
Une solution potentielle à ce mystère est que ces premiers quasars sont en réalité entourés de poussière cosmique et ne sont donc pas visibles. L’équipe a désormais l’intention de « peaufiner » ses observations de ces champs de quasars potentiellement vides pour découvrir de telles galaxies enveloppées.
« Nos résultats montrent qu’il manque encore une pièce importante du puzzle concernant la croissance de ces trous noirs supermassifs », a conclu Eilers. « S’il n’y a pas assez de matière pour que certains quasars puissent croître continuellement, cela signifie qu’il doit y avoir un autre moyen de croissance que nous n’avons pas encore trouvé. »
Les recherches de l’équipe ont été publiées le 17 octobre dans The Astrophysical Journal.
Initialement publié sur Espace.com.
