JWST voit le début du web cosmique

La toile cosmique est la structure à grande échelle de l’univers. Si vous pouviez regarder notre univers se dérouler du Big Bang à aujourd’hui, vous verriez ces filaments (et les vides entre eux) se former au fil du temps. Maintenant, les astronomes utilisant le JWST ont trouvé dix galaxies qui forment une version très ancienne de cette structure à peine 830 millions d’années après le début de l’univers.

La « toile cosmique » a commencé par des fluctuations de densité dans l’univers primitif. Quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, la matière (sous forme de gaz primordial) s’est condensée en nœuds aux jonctions des plaques et des filaments de gaz dans le premier réseau. Ces nœuds et filaments ont accueilli les premières étoiles et galaxies. Naturellement, lorsque les astronomes regarderont en arrière dans le temps, ils rechercheront les premières versions de la toile cosmique. La technologie JWST leur a permis de revenir sur les choses sombres et opaques qui existaient peu de temps après le Big Bang.

Les 10 galaxies que l’équipe a observées s’alignent dans un fin filament de trois millions d’années-lumière de diamètre, maintenues ensemble par un quasar brillant. Son apparition a surpris l’équipe par sa taille et sa place dans l’histoire cosmique. « C’est l’une des plus anciennes structures filamenteuses que les gens aient trouvées associées à un quasar lointain », a ajouté Vig Wang de l’Université de l’Arizona à Tucson, le chercheur principal de ce programme.

Aspirer à comprendre l’univers primitif et la toile cosmique

Les observations du JWST font partie d’un programme de surveillance appelé ASPIRE: A Spectroscopy Survey of Bias Halos in the Reionization Era. Il utilise des images et des spectres de 25 quasars qui existaient dans le passé lorsque l’univers a commencé à s’éclaircir après « l’âge des ténèbres ». L’idée est d’étudier la formation des galaxies les plus proches possibles, ainsi que la naissance des premiers trous noirs. De plus, l’équipe espère comprendre comment l’univers primitif s’est enrichi d’éléments plus lourds (métaux) et comment tout cela s’est passé à l’ère de la réionisation.

Les objectifs d’ASPIRE sont une partie importante de la compréhension de l’origine et de l’évolution de l’univers. « Les deux dernières décennies de recherche en cosmologie nous ont donné une solide compréhension de la formation et de l’évolution de la toile cosmique. ASPIRE vise à comprendre comment l’émergence des plus anciens trous noirs massifs peut être incorporée dans notre histoire actuelle de formation de la structure cosmologique », a expliqué membre de l’équipe Joseph Henawi de l’Université de Californie, Santa Barbara.

Zoom sur les premiers trous noirs

Les quasars leurrent à travers le temps et l’espace. Ils sont alimentés par des trous noirs supermassifs qui, associés à de puissants jets, produisent des quantités incroyables de lumière et d’autres émissions. Les astronomes les utilisent comme bougies standard pour les mesures de distance, ainsi que comme moyen d’étudier les vastes régions de l’espace à travers lesquelles la lumière passe.

Au moins huit des quasars de l’étude ASPIRE ont des trous noirs qui se sont formés moins d’un milliard d’années après le Big Bang. La masse de ces trous noirs varie de 600 millions à 2 milliards de fois la masse du Soleil. C’est vraiment très énorme et soulève beaucoup de questions sur leur croissance rapide. Pour que ces trous noirs supermassifs se forment en si peu de temps, deux critères doivent être remplis. Tout d’abord, vous devez commencer à cultiver à partir d’une « graine » de trou noir supermassif. Deuxièmement, même si cette graine a commencé avec une masse équivalente à mille soleils, elle devait encore accumuler un million de fois plus de matière au rythme maximum possible tout au long de sa vie », a expliqué Wang.

Pour que ces trous noirs se développent comme ils l’ont fait, ils avaient besoin de beaucoup de carburant. Leurs galaxies étaient également très massives, ce qui pourrait expliquer les trous noirs monstrueux dans leurs noyaux. Non seulement ces trous noirs ont aspiré beaucoup de matière, mais leurs sorties ont également affecté la formation des étoiles. Les vents forts des trous noirs peuvent empêcher la formation d’étoiles dans la galaxie hôte. De tels vents ont été observés dans l’univers proche mais pas directement observés à l’ère de la réionisation », a déclaré Yang. « La taille du vent est liée à la structure du quasar. Dans les observations de Webb, nous voyons que de tels vents existaient dans l’univers primitif. »

Pourquoi l’âge ?

On entend souvent parler d’astronomes voulant revenir à l’ère de la réionisation. Pourquoi un objectif aussi déroutant ? Il offre un regard sur une époque où les premières étoiles et galaxies se sont formées. Après le Big Bang, l’univers naissant était dans un état chaud et dense. Nous entendons parfois parler de soupe de l’univers primordial. Après cela, l’expansion a pris le dessus et les choses ont commencé à se calmer. Cela a permis aux électrons et aux protons de se combiner pour former les premiers atomes de gaz neutre. Elle a aussi permis la diffusion de l’énergie thermique issue du Big Bang. Les astronomes détectent ce rayonnement. Il est décalé vers le rouge dans la partie micro-ondes du spectre électromagnétique. Les astronomes l’appellent le rayonnement de fond diffus cosmologique (CMB).

Ce côté de l’univers primitif avait de légères fluctuations de densité dans sa matière en expansion. Cette substance était de l’hydrogène neutre. Il n’y avait pas encore d’étoiles ou de galaxies. Mais, finalement, ces régions à haute densité ont commencé à s’agglutiner sous l’influence de la gravité, provoquant également l’agglutination de la matière neutre. Cela a conduit à un nouvel effondrement des régions à haute densité, ce qui a finalement conduit à la naissance des premières étoiles. Ils ont chauffé le matériau environnant, ce qui a percé des trous dans les zones neutres – permettant à la lumière de passer à travers. Essentiellement, ces trous (ou bulles) dans le gaz neutre permettaient aux rayonnements ionisants de voyager plus loin dans l’espace. C’était le début de l’ère de la réionisation. Un milliard d’années après le Big Bang, l’univers était complètement ionisé.

Alors, comment expliquez-vous les premiers trous noirs supermassifs ?

Fait intéressant, ces premières galaxies découvertes par JWST, ainsi que leurs quasars, étaient déjà toutes en place, avec des trous noirs supermassifs en leur centre. La principale question demeure : comment sont-ils devenus si gros si rapidement ? Leur présence peut dire aux astronomes quelque chose sur les « densités supplémentaires » dans l’univers naissant. Premièrement, la « graine » d’un trou noir a besoin d’une région dense pleine de galaxies pour se former.

Cependant, jusqu’à présent, les observations antérieures à la découverte de JWST n’ont trouvé que quelques densités de galaxies accrues autour des plus anciens trous noirs supermassifs. Les astronomes doivent faire plus d’observations à cette époque pour expliquer pourquoi. Le programme ASPIRE devrait aider à résoudre les questions sur la rétroaction entre la formation des galaxies et la création des trous noirs dans cette toute première ère de l’univers. En cours de route, ils devraient également voir d’autres fragments de la structure à grande échelle de la toile cosmique de l’univers à mesure qu’elle prend forme.

pour plus d’informations

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Bias Halos in the Reionization Era (ASPIRE) Spectroscopic Survey : JWST révèle une structure filamenteuse autour de az = 6,61 Quasar