Le télescope James Webb décrypte les trous noirs du premier univers

Les observations récentes de deux quasars effectuées par le télescope spatial James Webb depuis le début de l'univers révèlent des informations importantes sur les premières relations entre les trous noirs et leurs galaxies, reflétant les rapports de masse observés dans l'univers plus récent.

De nouvelles images prises par le télescope spatial James Webb (JWST) ont révélé, pour la première fois, la lumière des étoiles de deux galaxies massives abritant des trous noirs en croissance active – des quasars – observés moins d'un milliard d'années après le Big Bang. Les trous noirs ont une masse environ un milliard de fois supérieure à celle du Soleil, et les masses de leurs galaxies hôtes sont environ cent fois supérieures, un rapport similaire à celui que l'on trouve dans l'univers plus jeune. Une puissante combinaison de l'enquête à grand champ du télescope Subaru et de la sonde spatiale James Webb a ouvert une nouvelle façon d'étudier l'univers lointain, selon une étude récente de 2016. nature.

Les observations de trous noirs géants ont attiré l’attention des astronomes ces dernières années. Le télescope Event Horizon (EHT) a commencé à imager « l’ombre » des trous noirs au centre des galaxies. Le Prix du roman de physique 2020 a été décerné pour l'observation du mouvement stellaire au cœur d'une galaxie. Voie Lactée. Si l’existence de tels trous noirs géants est bien établie, personne ne connaît leur origine.

Les astronomes ont signalé l’existence de trous noirs d’une masse d’un milliard de masses solaires au cours du premier milliard d’années de l’univers. Comment ces trous noirs ont-ils pu atteindre une telle taille alors que l’univers était si jeune ? Ce qui est encore plus étonnant, c'est que les observations dans l'univers local montrent une relation claire entre la masse des trous noirs supermassifs et les galaxies plus massives dans lesquelles ils résident. Les galaxies et les trous noirs ont des tailles complètement différentes, alors qu'est-ce qui est arrivé en premier : les trous noirs ou les galaxies ? Il s’agit d’un problème « de la poule ou de l’œuf » au niveau cosmique.

Image JWST NIRCam de 3,6 µm de HSC J2236+0032. L'image miniature, l'image du quasar et l'image de la galaxie hôte après soustraction de la lumière du quasar (de gauche à droite). L'échelle de l'image est indiquée en années-lumière dans chaque panneau. Crédit : Ding, Ono, Silverman et al.

Une équipe internationale de chercheurs est dirigée par Masafusa Ono, chercheur Kavli en astrophysique à l'Institut Kavli d'astronomie et d'astrophysique (KIAA) de l'Université de Pékin, et Shuheng Ding, chercheur à l'Institut Kavli de physique cosmique et de mathématiques (Kavli IPMU). ). ), et John Silverman, professeur Kavli à l'IPMU, ont tenté de répondre à cette question en utilisant Télescope spatial James Webb (JWST), un télescope spatial de 6,5 mètres développé grâce à une collaboration internationale entre… NASAle Agence spatiale européenne (ESA) et l’Agence spatiale canadienne (ASC), et ont été lancés en décembre 2021.

Les quasars sont lumineux, tandis que leurs galaxies hôtes sont faibles, ce qui rend difficile pour les chercheurs de détecter une faible lumière galactique dans la lueur du quasar, en particulier à longue distance. « Trouver les galaxies hôtes des quasars à redshift 6, c'est comme essayer de repérer des lucioles dans un feu d'artifice spectaculaire tout en portant des lunettes embuées. Les galaxies hôtes sont incroyablement faibles et la résolution de l'image était très limitée, même avec Le télescope spatial Hubble« Ce qui fait de révéler sa beauté cachée un véritable défi », explique Xuheng Ding.

Concept artistique du télescope spatial James Webb de la NASA. Source de l'image : NASA, ESA et Northrop Grumman

L'équipe a observé deux quasars avec le télescope spatial James Webb, HSC J2236+0032 et HSC J2255+0251, à des redshifts de 6,40 et 6,34 lorsque l'univers avait environ 860 millions d'années. Ces deux quasars ont été découverts à l'origine grâce à une étude à grande échelle du télescope Subaru de 8,2 mètres, avec lequel l'équipe de recherche a identifié à ce jour plus de 160 quasars. Les luminosités relativement faibles de ces quasars en font des cibles privilégiées pour mesurer les propriétés de leur galaxie hôte, et la découverte réussie de ces hôtes représente la première époque à ce jour au cours de laquelle la lumière des étoiles a été détectée dans un quasar.

Des images de quasars aux longueurs d'onde infrarouges de 3,56 et 1,50 microns ont été capturées à l'aide de l'instrument NIRCam de JWST, et les galaxies hôtes sont devenues apparentes après une modélisation minutieuse et une soustraction de la lueur des trous noirs en accrétion. La signature stellaire de la galaxie hôte a également été observée dans le spectre capturé par le NIRSpec de J2236+0032 de JWST, soutenant la découverte de la galaxie hôte. « J'ai été profondément impliqué dans l'étude des quasars à redshift élevé par Subaru depuis mes années de doctorat à l'Observatoire astronomique national du Japon. Je suis extrêmement fier de la détection réussie de la lumière des étoiles des quasars HSC que nous avons trouvée avec Subaru », a déclaré Masafusa Onoe.

Xuheng Ding, chercheur du projet Kavli IPMU, le professeur John Silverman et Masafusa Onoue, chercheur à l'Institut Kavli d'astronomie et d'astrophysique (PKU-KIAA), Kavli Astrophysics Fellow (de gauche à droite). Crédit : Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Grâce à des observations, l'équipe a découvert que… Le trou noir La masse de la galaxie hôte est similaire à celle observée dans le jeune univers. Le résultat suggère que la relation entre les trous noirs et leurs hôtes existait déjà au cours du premier milliard d'années après l'explosion. le Big Bang. L’équipe poursuivra cette étude avec un échantillon plus large de quasars distants, dans le but de limiter l’histoire de la croissance co-évolutive des trous noirs et de leurs galaxies mères au cours du temps cosmique. Ces observations contraindront les modèles de coévolution des trous noirs et de leurs galaxies hôtes.

Pour en savoir plus sur cette découverte, consultez Les chercheurs découvrent les galaxies hôtes des quasars dans l'univers primitif.

Référence : « Détection de la lumière stellaire des galaxies hôtes quasars à des redshifts supérieurs à 6 » par Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volontieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfiq Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Torg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang et Jenny Yang, 28 juin 2023, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06345-5