En scrutant profondément l’espace et le temps, deux équipes utilisant le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA ont étudié la galaxie exceptionnellement brillante GN-z11, qui existait lorsque notre univers vieux de 13,8 milliards d’années n’avait qu’environ 430 millions d’années. En étudiant également les données JWST, une équipe d’astronomes dirigée par Lukas Furtak et Adi Zitrin de l’Université Ben Gourion du Néguev a également pu déterminer la masse du trou noir supermassif. Avec environ 40 millions de fois la masse du Soleil, elle est étonnamment massive par rapport à la galaxie dans laquelle elle réside.
Tenant sa promesse de transformer notre compréhension de l’univers primitif, le télescope spatial James Webb explore les galaxies du début des temps. L’une d’elles est la galaxie exceptionnellement brillante GN-z11. Découverte à l’origine par le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA, c’est l’une des galaxies les plus jeunes et les plus lointaines jamais observées, et c’est aussi l’une des plus mystérieuses. Pourquoi est-elle si brillante? Webb semble avoir trouvé la réponse, rapporte la revue Astronomy & Astrophysics.
L’équipe qui étudie GN-z11 avec Webb a trouvé la première preuve claire que la galaxie héberge un trou noir supermassif central qui accumule rapidement de la matière. Leur découverte en fait le trou noir supermassif actif le plus éloigné découvert à ce jour.
GN-z11 dans le champ GOODS-North
“Nous avons découvert un gaz extrêmement dense qui est courant à proximité des trous noirs supermassifs accumulant du gaz”, a expliqué le chercheur principal Roberto Maiolino du laboratoire Cavendish et de l’Institut Kavli de cosmologie de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni. “Ce sont les premières indications claires que GN-z11 contient un trou noir consommateur de matière.”
En utilisant Webb, l’équipe a également trouvé des signatures d’éléments chimiques ionisés généralement observés à proximité de trous noirs supermassifs en accrétion. De plus, ils ont découvert que la galaxie émet des vents très puissants. De tels vents à grande vitesse sont généralement provoqués par des processus associés à l’accumulation énergétique de trous noirs supermassifs.
“La NIRCam (caméra proche infrarouge) de Webb a détecté un composant étendu suivant la galaxie hôte et une source centrale compacte dont les couleurs correspondent à celles du disque d’accrétion entourant le trou noir”, a déclaré la chercheuse Hannah Uebler, également du laboratoire Cavendish et de l’institut Kavli. .
Prises ensemble, ces données montrent que GN-z11 contient un trou noir supermassif d’une masse de deux millions de masses solaires, qui est dans une phase très active d’absorption de matière, c’est pourquoi il est si brillant.
Spectre GN-z11
La deuxième équipe, également dirigée par Maiolino, a utilisé le NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) de Webb pour détecter un amas d’hélium gazeux dans le halo entourant GN-z11.
“Le fait que nous ne voyons rien d’autre que de l’hélium suggère que cet amas doit être assez pur”, a déclaré Roberto. “C’est ce que la théorie et la modélisation attendaient à proximité des galaxies particulièrement massives de ces époques: il devrait y avoir des poches de gaz pur dans les halos qui pourraient s’effondrer et former des amas d’étoiles de population III.”
La recherche d’étoiles de la population III inédites – la première génération d’étoiles formées presque entièrement d’hydrogène et d’hélium – est l’une des tâches les plus importantes de l’astrophysique moderne. On s’attend à ce que ces étoiles soient très massives, très lumineuses et très chaudes. Leur signature sera la présence d’hélium ionisé et l’absence d’éléments chimiques plus lourds que l’hélium.
La formation des premières étoiles et galaxies marque un changement fondamental dans l’histoire du cosmos, au cours duquel l’Univers a évolué d’un état sombre et relativement simple vers l’environnement hautement structuré et complexe que nous connaissons aujourd’hui.
Dans les futures observations de Webb, Roberto, Hanna et leur équipe étudieront GN-z11 plus en détail et espèrent confirmer la présence d’étoiles de population III qui pourraient se former dans son halo.
Le nom «Population III» est né du fait que les astronomes avaient déjà classé les étoiles de la Voie lactée en Population I (étoiles comme le Soleil riches en éléments plus lourds) et Population II (étoiles plus anciennes avec de faibles abondances d’éléments lourds trouvés dans le renflement et halo de la Voie Lactée, ainsi que dans les amas d’étoiles globulaires).
Le trou noir supermassif est 40 millions de fois plus massif que le Soleil et alimente un quasar qui existait 700 millions d’années après le Big Bang. Grâce au télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes ont découvert un trou noir supermassif «extrêmement rouge» se développant dans l’obscurité de l’Univers primitif, rapporte la revue Nature.
La teinte rouge d’un trou noir supermassif, telle qu’elle est apparue environ 700 millions d’années après le Big Bang, est le résultat de l’expansion de l’Univers. À mesure que l’Univers s’étend dans toutes les directions, la lumière se déplaçant vers nous est «décalée vers le rouge» et, dans ce cas, la lumière décalée vers le rouge indique un manteau de gaz et de poussière épais enveloppant le trou noir.
Une représentation artistique d’un trou noir supermassif et de son puissant jet. Les astronomes veulent savoir comment ces objets ont atteint leurs énormes masses au début de l’Univers. NRAO/AUI/NSF
En étudiant les données du JWST, une équipe d’astronomes dirigée par Lukas Furtak et Adi Zitrin de l’Université Ben Gourion du Néguev a également pu déterminer la masse du trou noir supermassif. Avec environ 40 millions de fois la masse du Soleil, elle est étonnamment massive par rapport à la galaxie dans laquelle elle réside.
L’équipe a également découvert que le trou noir supermassif, situé à environ 12,9 milliards d’années-lumière de la Terre, engloutit rapidement le gaz et la poussière qui l’entourent. En d’autres termes, il est en croissance.
«Nous étions très enthousiastes lorsque JWST a commencé à envoyer ses premières données. “Nous scannions les données entrantes pour le programme UNCOVER et trois objets très compacts mais rouge vif se sont démarqués et ont attiré notre attention”, a déclaré Furtak dans un communiqué. “Leur apparence de point rouge nous a immédiatement amené à soupçonner qu’il s’agissait d’un objet de type quasar.”
Les quasars sont créés lorsque d’énormes quantités de matière entourent des trous noirs supermassifs comme celui-ci. Cette matière forme un disque de gaz et de poussières appelé disque d’accrétion, qui alimente progressivement le trou noir. L’énorme attraction gravitationnelle du trou noir mélange cette matière, créant des températures élevées et la faisant briller.
De plus, la matière qui ne tombe pas dans le trou noir supermassif est dirigée vers les pôles du titan cosmique. Les particules dans ces régions sont accélérées à des vitesses proches de la vitesse de la lumière sous la forme de jets hautement collimatés. Lorsque ces jets relativistes sont éjectés, les éruptions sont accompagnées de brillantes émissions électromagnétiques.
L’illustration montre un trou noir supermassif extrêmement rouge dans l’Univers primitif. Robert Lee
En raison de ces phénomènes, les quasars, alimentés par des trous noirs supermassifs dans des noyaux galactiques actifs (AGN), deviennent souvent si brillants que la lumière qu’ils émettent éclipse souvent la lumière combinée de toutes les étoiles de la galaxie qui les entoure.
L’énorme quantité de rayonnement émise autour de ce trou noir supermassif l’a fait apparaître comme un petit point dans les données JWST.
«L’analyse des couleurs de l’objet a montré qu’il ne s’agit pas d’une galaxie typique en formation d’étoiles. Cela a confirmé l’hypothèse d’un trou noir supermassif”, a déclaré Rachel Bezanson de l’Université de Pittsburgh et codirectrice du programme UNCOVER dans un communiqué. “Combiné à sa taille compacte, il est devenu évident qu’il s’agissait très probablement d’un trou noir supermassif, même s’il était encore différent des autres quasars découverts à cette époque.”
Le premier quasar n’aurait pas été visible, même par le puissant instrument infrarouge du JWST, sans l’aide d’un effet prédit par Albert Einstein en 1915.
La théorie de la relativité générale d’Einstein suggère que les objets de masse déforment le tissu même de l’espace et du temps, qui sont en réalité unis en une seule entité appelée «espace-temps». La théorie poursuit en disant que la gravité résulte de cette courbure. Plus la masse d’un objet est grande, plus la courbure de l’espace-temps est «extrême».
Ainsi, cette courbure indique non seulement aux planètes comment se déplacer autour de leurs étoiles et autour des centres de leurs galaxies d’origine, mais elle modifie également les trajectoires de la lumière provenant de ces étoiles.
Plus la lumière se rapproche d’un objet de masse, plus sa trajectoire est «courbée». Différents chemins de lumière provenant d’un seul objet d’arrière-plan peuvent ainsi être courbés par l’objet de premier plan ou « objet de lentille » et modifier l’apparence de la disposition de l’objet d’arrière-plan. Parfois, l’effet peut même faire apparaître un objet d’arrière-plan à plusieurs endroits dans la même image du ciel. Dans d’autres cas, la lumière d’un objet en arrière-plan est simplement amplifiée, ce qui fait paraître cet objet plus grand. Ce phénomène est connu sous le nom de «lentille gravitationnelle».
Dans ce dernier cas, JWST a utilisé un amas de galaxies appelé Abell 2744 comme corps de lentille de premier plan pour amplifier la lumière des galaxies d’arrière-plan qui autrement seraient trop éloignées pour être vues. Cela a révélé le quasar extrêmement rouge sur lequel ils se sont concentrés, initialement sous la forme de trois points rouges.
Le diagramme montre comment la lumière d’un objet d’arrière-plan est courbée par un objet de premier plan. NASA/ESA
“Nous avons utilisé un modèle de lentille numérique que nous avons construit pour un amas de galaxies afin de déterminer que les trois points rouges doivent être plusieurs images de la même source d’arrière-plan, observées lorsque l’univers n’avait qu’environ 700 millions d’années”, a déclaré Zitrin.
Une analyse plus approfondie de la source de fond a montré que sa lumière devait provenir d’une région compacte.
«Toute la lumière de cette galaxie doit tenir dans une petite région de la taille d’un amas d’étoiles moderne. La lentille gravitationnelle de la source nous a donné des contraintes précises sur la taille», a déclaré Jenny Green, membre de l’équipe et chercheuse à l’Université de Princeton, dans un communiqué. “Même si vous regroupiez toutes les étoiles possibles dans une si petite région, le trou noir finirait par représenter au moins 1 % de la masse totale du système.”
Cette découverte approfondit encore le mystère de la façon dont les trous noirs supermassifs, qui peuvent être des millions (voire des milliards) de fois plus massifs que le Soleil, ont atteint des tailles aussi énormes lors de la naissance de l’Univers.
“Il a été découvert que plusieurs autres trous noirs supermassifs du début de l’Univers présentent un comportement similaire, ce qui conduit à des informations intrigantes sur la croissance du trou noir et de la galaxie hôte, ainsi que sur les interactions entre eux qui ne sont pas encore bien comprises.”» dit Vert.
JWST a détecté de nombreux «petits points rouges» au fil du temps. Ils pourraient également indiquer que des quasars ont alimenté des trous noirs supermassifs dans l’Univers primitif, ce qui pourrait signifier que l’étonnant mystère de la croissance des trous noirs pourrait bientôt être résolu.
“D’une certaine manière, c’est l’équivalent astrophysique du problème de la poule et de l’œuf”, a conclu Zitrin. “Actuellement, nous ne savons pas ce qui est apparu en premier, la galaxie ou le trou noir, quelle était la taille des premiers trous noirs ni comment ils se sont développés.”