Les astronomes du MIT ont observé la lumière insaisissable des étoiles entourant certains des premiers quasars de l’univers. Les signaux lointains, qui remontent à plus de 13 milliards d’années jusqu’aux débuts de l’univers, révèlent des indices sur l’évolution des tout premiers trous noirs et galaxies.
Les quasars sont les centres flamboyants des galaxies actives, qui hébergent en leur cœur un trou noir supermassif insatiable. La plupart des galaxies hébergent un trou noir central qui peut occasionnellement se régaler de gaz et de débris stellaires, générant un bref éclat de lumière sous la forme d’un anneau lumineux alors que la matière tourbillonne vers le trou noir.
Les quasars, en revanche, peuvent consommer d’énormes quantités de matière sur des périodes beaucoup plus longues, générant un anneau extrêmement brillant et durable – si brillant, en fait, que les quasars comptent parmi les objets les plus lumineux de l’univers.
Parce qu’ils sont si brillants, les quasars éclipsent le reste de la galaxie dans laquelle ils résident. Mais l’équipe du MIT a pu pour la première fois observer la lumière beaucoup plus faible des étoiles des galaxies hôtes de trois anciens quasars.
Sur la base de cette lumière stellaire insaisissable, les chercheurs ont estimé la masse de chaque galaxie hôte, par rapport à la masse de son trou noir supermassif central. Ils ont découvert que pour ces quasars, les trous noirs centraux étaient beaucoup plus massifs par rapport à leurs galaxies hôtes que leurs homologues modernes.
Les résultats, publiés aujourd’hui dans le Journal d’astrophysique, pourrait éclairer la façon dont les premiers trous noirs supermassifs sont devenus si massifs malgré un temps cosmique relativement court pour se développer. En particulier, ces premiers trous noirs monstrueux pourraient avoir germé à partir de « graines » plus massives que les trous noirs plus modernes.
« Après la création de l’univers, des graines de trous noirs ont ensuite consommé de la matière et se sont développées en très peu de temps », explique l’auteur de l’étude Minghao Yue, postdoctorant à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « L’une des grandes questions est de comprendre comment ces trous noirs monstrueux ont pu croître si gros et si vite. »
« Ces trous noirs sont des milliards de fois plus massifs que le soleil, à une époque où l’univers en est encore à ses balbutiements », explique l’auteur de l’étude Anna-Christina Eilers, professeur adjoint de physique au MIT. « Nos résultats impliquent que dans l’univers primitif, les trous noirs supermassifs auraient pu gagner en masse avant leurs galaxies hôtes, et que les graines initiales des trous noirs auraient pu être plus massives qu’aujourd’hui. »
Les co-auteurs d’Eilers et de Yue comprennent le directeur du MIT Kavli, Robert Simcoe, le MIT Hubble Fellow et postdoctorant Rohan Naidu, ainsi que des collaborateurs en Suisse, en Autriche, au Japon et à l’Université d’État de Caroline du Nord.
Noyaux éblouissants
L’extrême luminosité d’un quasar est évidente depuis que les astronomes ont découvert ces objets pour la première fois dans les années 1960. Ils ont alors supposé que la lumière du quasar provenait d’une seule « source ponctuelle » semblable à une étoile. Les scientifiques ont désigné ces objets « quasars », comme un portemanteau d’un objet « quasi-stellaire ». Depuis ces premières observations, les scientifiques ont réalisé que les quasars ne sont en fait pas d’origine stellaire mais émanent de l’accrétion de trous noirs supermassifs intensément puissants et persistants situés au centre des galaxies qui hébergent également des étoiles, qui sont beaucoup plus faibles en comparaison de leurs étoiles éblouissantes. noyaux.
Il a été extrêmement difficile de séparer la lumière du trou noir central d’un quasar de celle des étoiles de la galaxie hôte. La tâche revient un peu à discerner un champ de lucioles autour d’un projecteur central et massif. Mais ces dernières années, les astronomes ont eu de bien meilleures chances d’y parvenir avec le lancement du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, qui a pu observer plus loin dans le temps, et avec une sensibilité et une résolution bien plus élevées, que n’importe quel télescope existant. observatoire.
Dans leur nouvelle étude, Yue et Eilers ont utilisé leur temps dédié sur JWST pour observer six quasars anciens connus, par intermittence, de l’automne 2022 au printemps suivant. Au total, l’équipe a collecté plus de 120 heures d’observations des six objets distants.
« Le quasar surpasse sa galaxie hôte de plusieurs ordres de grandeur. Et les images précédentes n’étaient pas assez nettes pour distinguer à quoi ressemble la galaxie hôte avec toutes ses étoiles », explique Yue. « Maintenant, pour la première fois, nous sommes en mesure de révéler la lumière de ces étoiles en modélisant très soigneusement les images beaucoup plus nettes de ces quasars prises par JWST. »
Un équilibre léger
L’équipe a fait le point sur les données d’imagerie collectées par JWST sur chacun des six quasars distants, qu’ils ont estimés à environ 13 milliards d’années. Ces données comprenaient des mesures de la lumière de chaque quasar dans différentes longueurs d’onde. Les chercheurs ont intégré ces données dans un modèle de la quantité de lumière provenant probablement d’une « source ponctuelle » compacte, telle qu’un disque d’accrétion central d’un trou noir, par rapport à une source plus diffuse, telle que la lumière des étoiles dispersées environnantes de la galaxie hôte. .
Grâce à cette modélisation, l’équipe a divisé la lumière de chaque quasar en deux composantes : la lumière du disque lumineux du trou noir central et la lumière des étoiles les plus diffuses de la galaxie hôte. La quantité de lumière provenant des deux sources reflète leur masse totale. Les chercheurs estiment que pour ces quasars, le rapport entre la masse du trou noir central et la masse de la galaxie hôte était d’environ 1:10. Ils se sont rendu compte que cela contrastait fortement avec le bilan de masse actuel de 1:1 000, dans lequel les trous noirs formés plus récemment sont beaucoup moins massifs que leurs galaxies hôtes.
« Cela nous apprend quelque chose sur ce qui grandit en premier : est-ce le trou noir qui grandit en premier, puis la galaxie rattrape son retard ? Ou est-ce la galaxie et ses étoiles qui grandissent en premier, et qui dominent et régulent la croissance du trou noir ? Eilers explique. « Nous constatons que les trous noirs du premier univers semblent croître plus rapidement que leurs galaxies hôtes. C’est une preuve provisoire que les graines initiales des trous noirs auraient pu être plus massives à l’époque.
« Il doit y avoir eu un mécanisme permettant à un trou noir d’acquérir sa masse plus tôt que sa galaxie hôte au cours de ce premier milliard d’années », ajoute Yue. « C’est en quelque sorte la première preuve que nous voyons à ce sujet, ce qui est passionnant. »
