Utilisation du télescope spatial James Webb (JWST) : découverte de trous noirs supermassifs éloignés dans l’univers primitif.
Trous noirs supermassifs dans l’univers primitif
À l’aide du télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes ont découvert des trous noirs supermassifs distants et excessivement massifs dans l’univers primitif. Les trous noirs semblent bien trop massifs par rapport à la masse des étoiles dans les galaxies qui les abritent.
Une découverte surprenante
Dans l’univers moderne, pour les galaxies proches de notre Voie lactée, les trous noirs supermassifs ont tendance à avoir des masses équivalentes à environ 0,01 % de la masse stellaire de leur galaxie hôte. Ainsi, pour chaque masse solaire attribuée aux étoiles d’une galaxie, il y a environ une masse solaire d’un trou noir supermassif central. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont calculé statistiquement que les trous noirs supermassifs dans certaines des premières galaxies observées par le JWST ont une masse équivalente à 10 % de la masse stellaire de leur galaxie. Cela signifie que pour chaque 10 000 masses solaires d’étoiles dans chacune de ces galaxies, il y a 1 000 masses solaires d’un trou noir supermassif. La masse de ces trous noirs supermassifs est très élevée par rapport à la masse stellaire des galaxies qui les abritent, a déclaré le chef de l’équipe, Jorryt Matthee. À première vue, nos mesures impliquent que la masse des trous noirs supermassifs représente 10 % de la masse stellaire des galaxies que nous avons étudiées. Dans le scénario le plus extrême, cela signifierait que les trous noirs sont 1 000 fois trop lourds. Cette découverte pourrait rapprocher les astronomes de la résolution du mystère de la croissance rapide des trous noirs supermassifs, avec des masses de plusieurs millions, voire milliards, de fois celle du Soleil dans l’univers primitif. Plutôt que de dire que cette découverte est ‘inquiétante’, je dirais qu’elle est ‘prometteuse’, car cette grande disparité suggère que nous sommes sur le point d’apprendre quelque chose de nouveau, a ajouté Matthee.
La découverte commence avec de petits points rouges
Depuis que le JWST a commencé à transmettre des données sur Terre à l’été 2022, ce télescope spatial de 10 milliards de dollars a aidé les astronomes à affiner leur compréhension du cosmos primitif. Cela inclut la découverte de trous noirs supermassifs avec des millions de masses solaires alors que l’univers avait moins d’un milliard d’années. Cela pose problème, car les scientifiques estiment que les chaînes de fusion de trous noirs progressivement plus gros et l’alimentation vorace de la matière environnante qui conduisent les trous noirs à atteindre des tailles supermassives prendraient plus d’un milliard d’années. Un autre aspect important de cette étude de l’univers primitif par le JWST a été la découverte de petites galaxies à points rouges, dont certaines existaient seulement 1,5 milliard d’années après le Big Bang, lorsque l’univers avait environ 11 % de son âge actuel. La couleur rouge de ces galaxies primordiales étonnamment lumineuses est supposée provenir du gaz et de la poussière présents dans un disque d’accrétion entourant les trous noirs supermassifs appelés noyau actif de galaxie (AGN). Lorsque les trous noirs géants se nourrissent de cette matière, ils émettent d’énormes quantités d’énergie électromagnétique, à partir d’une région compacte appelée noyau galactique actif (AGN). En 2023 et 2024, nous et d’autres groupes avons découvert une population cachée d’AGN dans l’univers primitif grâce aux premiers ensembles de données du JWST, a déclaré Matthee. La lumière que nous voyons provenant de ces objets, en particulier la lumière rougeâtre, provient des disques d’accrétion autour des trous noirs supermassifs. Ces objets sont devenus connus sous le nom de ‘petits points rouges’ car c’est ainsi qu’ils apparaissent dans les images du JWST. Actuellement, cette population galactique précoce est très excitante, bien qu’elle soit mal comprise. Par exemple, dans l’univers primitif, les petits points rouges semblent être beaucoup plus nombreux que les populations d’AGN précédemment connues observées depuis la Terre sous la forme de quasars alimentés par des trous noirs supermassifs. Les petits points rouges montrent également des propriétés très remarquables, comme la faiblesse de l’émission de rayons X, ce qui est assez inhabituel pour les AGN, et l’émission infrarouge est également inhabituelle, a déclaré Matthee. En raison de ces complications, nous avons du mal à interpréter la lumière que nous observons à partir des petits points rouges, ce qui rend très difficile l’étude de leurs propriétés. C’est là que les nouvelles recherches de Matthee et de ses collègues entrent en jeu. À l’aide d’un ensemble de données provenant de l’enquête JWST All the Little Things (ALT) de la deuxième année (cycle 2), l’équipe a construit une carte précise en 3D de toutes les galaxies dans une région spécifique du ciel. Dans cette région, nous avons identifié sept petits points rouges, similaires à des études précédentes, mais nous avons maintenant pu comparer les emplacements de ces petits points rouges dans cette carte de galaxies en 3D, a déclaré Matthee. Les petits points rouges de l’équipe sont situés si loin que leur lumière a mis environ 12,5 milliards d’années pour nous parvenir. Ils sont regroupés dans ce qu’on appelle la toile cosmique de galaxies, leur positionnement étant d’une importance primordiale.
Les galaxies à petits points rouges
La position des galaxies dans la toile cosmique dépend du type de galaxie. Les galaxies évoluées et massives se trouvent dans des régions surdensitaires telles que les nœuds où les brins de la toile se connectent. Les galaxies plus jeunes et de plus faible masse sont généralement situées dans des régions moins denses de la toile cosmique, le long des brins individuels loin des nœuds. Nous avons découvert que les petits points rouges se trouvent dans des environnements qui ressemblent à des galaxies jeunes de faible masse, a déclaré Matthee. Cela implique que les galaxies à petits points rouges sont également de jeunes galaxies de faible masse. Le fait que ces galaxies à petits points rouges contiennent des AGN apporte la preuve que les premiers trous noirs se développent activement dans des galaxies avec une masse stellaire aussi faible que environ 100 millions de fois celle du Soleil. Une explication possible à cela est que les trous noirs supermassifs de l’univers primitif ont réussi à se former et à croître beaucoup plus efficacement que ceux de l’univers contemporain. Cela pourrait être dû à une consommation plus rapide du gaz et de la matière environnants. À mon avis, l’explication la plus probable est la croissance extrêmement rapide des trous noirs supermassifs stimulée par les fortes densités de gaz des galaxies dans l’univers primitif, a déclaré Matthee. Ces densités conduisent simultanément à des densités stellaires élevées, ce qui favorise la formation de trous noirs supermassifs en facilitant les collisions en chaîne des trous noirs restants. Si cela est vrai, la formation des étoiles et des trous noirs supermassifs dans les galaxies est intrinsèquement liée, ces processus dépendant les uns des autres. Bien que les trous noirs supermassifs se développent plus rapidement dans les galaxies primitives, la formation d’étoiles les rattrape, ce qui entraîne le rapport de masse 1:100 que l’on observe aujourd’hui. Cela ne confirme pas encore les théories de croissance rapide par rapport aux autres explications de croissance des trous noirs supermassifs, comme l’idée selon laquelle ces titans cosmiques se développent à partir de graines de trous noirs massifs créées par l’effondrement direct de vastes nuages de gaz et de poussière. Cependant, Matthee a ajouté qu’il sera maintenant difficile pour les théoriciens d’ignorer les faibles masses des galaxies hôtes lorsque l’on considère les différentes théories de croissance. Les prochaines étapes pour l’équipe et pour la communauté astronomique en général consistent à éliminer la possibilité que le rapport masse stellaire/masse des trous noirs qu’ils ont trouvé ne soit pas le résultat de mesures inexactes ou d’un biais de sélection qui aurait favorisé les trous noirs supermassifs les plus actifs et donc les plus massifs. Cela impliquera probablement la découverte de plus de galaxies à petits points rouges, une recherche dont le JWST sera sans aucun doute au cœur. Le JWST a été important pour deux raisons principales : sans lui, nous n’aurions pas découvert ces populations d’AGN faibles, a conclu Matthee. De plus, sans le JWST, nous n’aurions pas pu créer la carte précise en 3D de la distribution des galaxies que nous avons utilisée pour déduire les propriétés des galaxies abritant les AGN faibles. C’est un domaine de recherche très passionnant en ce moment ! Les recherches de l’équipe n’ont pas encore été publiées dans une revue scientifique à comité de lecture. Elles ont été publiées sur le site de dépôt de documents scientifiques arXiv.
