Le télescope spatial James Webb repère de très, trop jeunes quasars au fin fond du cosmos, bouleversant ainsi l’histoire des trous noirs
Le télescope spatial James Webb (JWST), a découvert un nombre important de petits points rouges de faible intensité dans une partie très éloignée de l’univers. Bien qu’apparemment anodin et inattendu pour les chercheurs, cette découverte pourrait bouleverser ce que l’on sait de l’origine des trous noirs supermassifs.
Image d’entête : par le JWST, le quasar lumineux J1148+5251, un trou noir supermassif actif extrêmement rare de 10 milliards de masses solaires. Deux « bébés quasars » (encarts rouges) sont visibles dans le même jeu de données. (NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zurich), D. Kashino (Observatoire national du Japon), S. Lilly (ETH Zurich))
Au cours de sa première année de fonctionnement, le JWST a identifié la lumière de ces faibles points rouges dans le lointain passé de l’univers, à un décalage vers le rouge d’environ z ∼ 5 (le score z indique combien d’écarts types un point de données se situe au-dessus ou au-dessous de la moyenne). Cette lumière provient d’une époque située environ un milliard d’années après le Big Bang. En tant que telle, cette observation offre un rare aperçu de l’univers primitif et fournit des indices sur la formation et l’évolution des galaxies.
Frise chronologique de l’Univers, depuis le Big Bang jusqu’à nos jours. La lumière des jeunes quasars a été repérée juste après l’Âge sombre, lors de la Formation des premières étoiles et galaxies. (Nicolas Lardot/ Wikimedia)
Contrairement à ce qu’avait pu observer son prédécesseur, le télescope spatial Hubble, ces objets étaient jusqu’à présent impossibles à distinguer des galaxies normales. Les capacités infrarouges avancées du JWST ont permis aux scientifiques de déterminer que ces points sont en fait des versions miniatures de trous noirs extrêmement massifs.
Selon Jorryt Matthee, professeur adjoint d’astrophysique à l’Institut autrichien des sciences et des technologies
Sans avoir été conçu dans ce but précis, le JWST nous a aidés à déterminer que de pâles petits points rouges, découverts très loin dans le passé lointain de l’univers, sont de petites versions de trous noirs extrêmement massifs. Ces objets particuliers pourraient modifier notre conception de la genèse des trous noirs.
Les trous noirs supermassifs (TNSM ou SMBH pour supermassive black hole) se trouvent au centre de presque toutes les grandes galaxies, y compris notre Voie lactée. Ces phénomènes cosmiques ont une masse des millions à des milliards de fois supérieure à celle de notre soleil et jouent un rôle crucial dans la formation des galaxies qu’ils habitent. La découverte de ces petits points rouges suggère l’existence de trous noirs supermassifs dans l’univers primitif, ce qui remet en question les modèles actuels de formation et de prolifération d’objets aussi massifs.
Certains TNSM font boule de neige en engloutissant des quantités astronomiques de matière. Ils deviennent alors si lumineux qu’ils peuvent être observés jusqu’aux confins de l’univers en expansion. Ces TNSM lumineux sont appelés quasars et comptent parmi les objets les plus brillants de l’univers.
L’une des plus grandes énigmes de l’astronomie est de savoir comment certains TNSM ont pu atteindre des tailles aussi immenses aussi rapidement. Les lois actuelles de la physique et ce que l’on sait des explosions stellaires suggèrent un taux de croissance maximal pour les trous noirs. Pourtant, l’existence de ces géants cosmiques défie ces contraintes, soulevant des questions sur notre compréhension fondamentale de l’évolution cosmique.
Selon Matthee :
L’un des problèmes des quasars est que certains d’entre eux semblent être trop massifs, compte tenu de l’âge de l’univers auquel ils sont observés. Nous les appelons les « quasars problématiques ». Si l’on considère que les quasars proviennent de l’explosion d’étoiles massives et que l’on connaît leur taux de croissance maximal grâce aux lois générales de la physique, certains d’entre eux semblent avoir grandi plus vite qu’il n’est possible. C’est comme regarder un enfant de 5 ans qui mesurerait 2 mètres de haut. Il y a quelque chose qui cloche.
Les petits points rouges identifiés par le JWST sont essentiellement des bébés quasars. Contrairement à la plupart de ces derniers, qui sont excessivement massifs et brillants, ces jeunes quasars sont plus petits, avec des masses comprises entre 10 et 100 millions de masses solaires, et apparaissent en rouge en raison de l’obscurcissement par la poussière.
Cette découverte ouvre une nouvelle perspective sur le cycle de vie des quasars et des trous noirs supermassifs. Elle permet de mieux comprendre leur croissance et les étapes précédant leur évolution vers les géants que nous observons aujourd’hui.
La détection de ces bébés quasars a été rendue possible par les collaborations JWST EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas at the Epoch of Reionization) et FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Ces initiatives ont été initialement conçues pour étudier les rares quasars supermassifs bleus et leur environnement.
Cette découverte a ainsi ouvert de nouvelles voies de recherche et soulevé des questions fondamentales sur les débuts de l’univers.
L’étude publiée dans The Astrophysical Journal : Little Red Dots: An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei at z ∼ 5 Revealed by the EIGER and FRESCO JWST Surveys et présentée sur le site de l’Institute of Science and Technology Austria : Baby Quasars: Growing Supermassive Black Holes.
