À l’aide du télescope spatial James Webb, les astronomes ont observé la « danse » spectaculaire entre un trou noir supermassif et deux galaxies satellites. Ces observations pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre comment les galaxies et les trous noirs supermassifs se sont développés au début de l’Univers.
Ce trou noir supermassif se nourrit de la matière qui l’entoure et fournit un quasar brillant si éloigné que le télescope James Webb le voit tel qu’il était moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Le quasar, baptisé PJ308-21, est situé dans un noyau galactique actif (AGN) dans une galaxie en train de fusionner avec deux galaxies satellites massives.
Non seulement l’équipe a déterminé que le trou noir avait une masse équivalente à deux milliards de soleils, mais elle a également découvert que les quasars et les galaxies impliqués dans cette fusion sont très évolués, une surprise étant donné qu’ils existaient lorsque l’âge de 13,8 ans a été créé. le vieil univers n’était qu’un bébé.
La fusion de ces trois galaxies fournira probablement d’énormes quantités de gaz et de poussière au trou noir supermassif, facilitant ainsi sa croissance et lui permettant de continuer à alimenter PJ308-21.
à propos de: Le télescope spatial James Webb détecte un trou noir supermassif « extrêmement rouge » se développant dans l’univers primitif
« Notre étude révèle que les deux trous noirs se trouvent à des centres de redshift élevés. [early and distant] « Les quasars et les galaxies qui les hébergent connaissent déjà une croissance très efficace et turbulente au cours du premier milliard d’années de l’histoire de l’univers, aidés par le riche environnement galactique dans lequel se forment ces sources », explique le chef d’équipe Roberto DeCarli, chercheur à l’Institut national italien. Institut d’Astrophysique (INAF). Il a dit dans un communiqué.
Les données ont été collectées en septembre 2022 par l’instrument NIRSpec (Near-Infrared Spectrometer) de JWST dans le cadre du programme 1554, qui vise à surveiller la fusion entre la galaxie hébergeant PJ308-21 et deux de ses galaxies lunaires.
DeCarli a ajouté que le travail représentait un véritable « voyage émotionnel » pour l’équipe, qui a développé des solutions innovantes pour surmonter les difficultés initiales de réduction des données et produire des images avec moins de 1 % d’incertitude par pixel.
Les quasars naissent lorsque des quantités massives de gaz et de poussière entourent des trous noirs supermassifs dont la masse est des millions ou des milliards de fois supérieure à celle du Soleil, qui se trouvent au cœur des galaxies. Ce matériau forme un nuage plat appelé disque d’accrétion qui orbite autour du trou noir et l’alimente progressivement.
Les énormes forces gravitationnelles du trou noir génèrent de puissantes forces de marée dans ce disque d’accrétion, élevant la température du gaz et de la poussière à 120 000 degrés Fahrenheit (67 000 degrés Celsius). Cela provoque l’émission de la lumière du disque d’accrétion à travers le spectre électromagnétique. Cette émission est souvent plus brillante que la lumière combinée de chaque étoile de la galaxie environnante, ce qui fait des quasars comme PJ308-21 l’un des objets les plus brillants de l’univers.
Si les trous noirs n’ont pas de propriétés permettant de déterminer leur évolution, leurs disques d’accrétion (et donc leurs quasars) en ont. En fait, l’âge des galaxies peut être « estimé » de la même manière.
L’univers primitif était rempli d’hydrogène, l’élément le plus léger et le plus simple, et d’une petite quantité d’hélium. Cela a constitué la base des premières étoiles et galaxies, mais au cours de la vie de ces corps stellaires, ils ont forgé des éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, que les astronomes appellent « métaux ».
Lorsque ces étoiles ont mis fin à leur vie dans des explosions massives de supernova, ces métaux se sont répandus dans leurs galaxies et sont devenus les éléments constitutifs de la prochaine génération d’étoiles. Ce processus a amené les étoiles, et à travers elles les galaxies, à devenir progressivement « riches en métaux ».
L’équipe a découvert que, comme la plupart des noyaux galactiques actifs, le noyau actif du PJ308-21 est riche en métaux et que le gaz et la poussière qui l’entourent subissent un processus de « photoionisation ». Il s’agit du processus par lequel les particules de lumière, appelées photons, fournissent l’énergie dont les électrons ont besoin pour s’échapper des atomes, créant ainsi des ions chargés électriquement.
L’une des galaxies fusionnant avec la galaxie hôte PJ308-21 est également riche en métaux et sa matière est également partiellement photoionisée par le rayonnement électromagnétique du quasar.
La photoionisation se produit également dans la deuxième galaxie lunaire, mais dans ce cas, elle est causée par une formation rapide d’étoiles. Cette deuxième galaxie diffère également de la première galaxie et de la galaxie active, en ce sens qu’elle semble pauvre en métaux.
« Grâce à NIRSpec, nous pouvons pour la première fois étudier le domaine optique, riche en données diagnostiques précieuses sur les propriétés du gaz à proximité du trou noir dans la galaxie hébergeant le quasar et dans les galaxies environnantes », a déclaré un membre de l’équipe et astrophysicien à l’Institut National d’Astrophysique Federica Loiacono. « Nous pouvons par exemple observer l’émission d’atomes d’hydrogène et la comparer à l’émission d’éléments chimiques produits par les étoiles pour déterminer la richesse en métaux du gaz. »
Bien que la lumière de ce quasar remontant au début de l’univers traverse une large gamme du spectre électromagnétique, y compris la lumière optique et les rayons X, la seule façon de l’observer est dans l’infrarouge.
En effet, la lumière, qui a parcouru plus de 12 milliards d’années pour atteindre le télescope James Webb, a vu ses longueurs d’onde considérablement « étirées ». Cela « déplace » la lumière vers « l’extrémité rouge » du spectre électromagnétique, un phénomène que les astronomes appellent « redshift » et symbolisé par la lettre « z ».
Le télescope James Webb a une capacité exceptionnelle à voir des objets et des événements à « redshift élevé » ou à « redshift élevé » tels que le PJ308-21 en raison de sa sensibilité à la lumière infrarouge.
Loiacono a conclu en disant : « Grâce à la sensibilité du télescope James Webb dans l’infrarouge proche et moyen, il est devenu possible d’étudier le spectre des quasars et des galaxies compagnes avec une précision sans précédent dans l’univers lointain. Ces observations ne peuvent qu’être garanties. par l’excellente « vue » fournie par le télescope James Webb ».
Les recherches de l’équipe ont été acceptées pour publication en juin 2024 dans la revue Astronomie et astrophysique.
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