Genèse galactique : le télescope James Webb déchiffre l’énigme des trous noirs de l’univers primitif

Patrick Lesggie




Révélation du James Webb Space Telescope sur les quasars de l’univers primitif

Le télescope spatial James Webb capture les premiers quasars de l’univers lointain

Le 14 janvier 2024

Le télescope spatial James Webb a capturé des images de deux quasars du début de l’univers, éclairant la relation entre les trous noirs et leurs galaxies hôtes. Cette percée suggère que le rapport de masse observé dans les galaxies récentes était déjà présent moins d’un milliard d’années après le Big Bang.

Les observations récentes du JWST de deux quasars datant de l’antiquité de l’univers révèlent des informations cruciales sur la relation précoce entre les trous noirs et leurs galaxies, révélant des rapports de masse similaires à ceux observés dans l’univers plus récent.

De nouvelles images du télescope spatial James Webb (JWST) ont révélé, pour la première fois, la lumière des étoiles de deux galaxies massives hébergeant des trous noirs en croissance active – des quasars – observées à moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Les trous noirs ont des masses proches de mille fois celle du Soleil, et les masses des galaxies hôtes sont presque cent fois plus grandes, un rapport similaire à ce qui est observé dans l’univers plus récent. Une puissante combinaison d’une étude à grand champ du télescope Subaru et du JWST a ouvert un nouveau chemin pour étudier l’univers lointain, comme le rapporte une étude récente parue dans Nature.

Des observations de trous noirs géants ont attiré l’attention des astronomes ces dernières années. Le Télescope de l’Horizon des Événements (EHT) a commencé à imager la « silhouette » des trous noirs au centre des galaxies. Le Prix Nobel de Physique 2020 a été décerné pour des observations du mouvement stellaire au cœur de la Voie lactée. Alors que l’existence de ces trous noirs géants est avérée, personne ne connaît leur origine.

Les astronomes ont rapporté que des trous noirs d’une masse d’un milliard de masses solaires existent dans le premier milliard d’années de l’univers – comment ces trous noirs ont-ils pu devenir si massifs alors que l’univers était si jeune ? Encore plus étrange, les observations dans l’univers local montrent une relation claire entre la masse des trous noirs supermassifs et les galaxies beaucoup plus grandes dans lesquelles ils résident. Les galaxies et les trous noirs ont des tailles complètement différentes, donc qui est apparu en premier : les trous noirs ou les galaxies ? Il s’agit là d’un problème de « poule et d’œuf » à l’échelle cosmique.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Masafusa Onoue, membre de l’Académie Kavli d’astrophysique à l’Institut Kavli d’astronomie et d’astrophysique (KIAA) de l’Université de Pékin, Xuheng Ding, chercheur à l’Institut Kavli de physique et de mathématiques de l’Univers (Kavli IPMU) et John Silverman, professeur à Kavli IPMU a commencé à répondre à cette question avec le télescope spatial James Webb (JWST), un télescope spatial de 6,5 mètres développé dans le cadre d’une collaboration internationale entre la NASA, l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Agence spatiale canadienne (ASC), et lancé en décembre 2021.

Les quasars sont lumineux, tandis que leurs galaxies hôtes sont faibles, ce qui a rendu difficile pour les chercheurs de détecter la lumière faible de la galaxie dans l’éclat du quasar, en particulier à grande distance. « Trouver les galaxies hôtes des quasars avec un décalage vers le rouge 6, revient à essayer de repérer des lucioles dans un spectacle de feux d’artifice époustouflant tout en portant des lunettes embuées. Les galaxies hôtes sont incroyablement faibles, et la résolution de l’image a été très limitée, même avec le télescope spatial Hubble, ce qui rend vraiment difficile la découverte de leur beauté cachée », explique Xuheng Ding.

L’équipe a observé deux quasars avec le JWST, HSC J2236+0032 et HSC J2255+0251, avec des décalages vers le rouge de 6,40 et 6,34, lorsque l’univers avait environ 860 millions d’années. Ces deux quasars ont été découverts à l’origine par une étude à grand champ du télescope Subaru de 8,2 mètres, avec lequel l’équipe de recherche a identifié plus de 160 quasars à ce jour. Les luminosités relativement faibles de ces quasars en faisaient des cibles privilégiées pour des mesures des propriétés des galaxies hôtes, et la détection réussie des hôtes représente l’époque la plus précoce à laquelle la lumière des étoiles a été détectée dans un quasar.

Les images des deux quasars ont été prises dans les longueurs d’onde infrarouges de 3,56 et 1,50 micron avec l’instrument NIRCam du JWST, et les galaxies hôtes sont devenues apparentes après avoir soigneusement modélisé et soustrait l’éclat des trous noirs en accrétion. La signature stellaire de la galaxie hôte a également été observée dans un spectre pris par le NIRSpec du JWST pour J2236+0032, soutenant davantage la détection de la galaxie hôte. « J’ai été profondément impliqué dans l’enquête sur les quasars de haut décalage vers le rouge avec le télescope Subaru depuis mes années de doctorat à l’Observatoire astronomique national du Japon. Je suis extrêmement fier du succès de la détection de la lumière des étoiles des quasars HSC que nous avons trouvés avec le Subaru », déclare Masafusa Onoue.

À partir des observations, l’équipe a découvert que le rapport entre la masse du trou noir et la masse de la galaxie hôte est similaire à celui observé dans l’univers plus récent. Le résultat suggère que la relation entre les trous noirs et leurs hôtes était déjà en place dans le premier milliard d’années après le Big Bang. L’équipe poursuivra cette étude avec un échantillon plus large de quasars lointains, dans le but de contraindre davantage l’histoire de croissance coévolutive des trous noirs et de leurs galaxies parentes à travers le temps cosmique. Ces observations permettront de contraindre les modèles de la coévolution des trous noirs et de leurs galaxies hôtes.

En savoir plus sur cette découverte à l’adresse Researchers Detect the Host Galaxies of Quasars in the Early Universe.

Référence : « Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6 » by Xuheng Ding, Masafusa Onoue, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Jahnke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volonteri, Zoltan Haiman, Irham Taufik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebekka Bieri, Sarah E. I. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Christina Eilers, Seiji Fujimoto, Melanie Habouzit, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kashikawa, Toshihiro Kawaguchi, Kotaro Kohno, Chien-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Lyu, Tohru Nagao, Roderik Overzier, Jan-Torge Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasaku, Yoshiki Toba, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Tommaso Treu, Hideki Umehata, Bram P. Venemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feige Wang et Jinyi Yang, 28 juin 2023, Nature. DOI: 10.1038/s41586-023-06345-5