des chercheurs détectent les galaxies hôtes des quasars dans l’univers primordial
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De nouvelles images du télescope spatial James Webb ont révélé, pour la première fois, la lumière des étoiles de deux galaxies massives abritant des trous noirs en croissance active – des quasars – vus moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Une nouvelle étude en Nature cette semaine, les trous noirs ont des masses proches d’un milliard de fois celles du Soleil, et les masses des galaxies hôtes sont presque cent fois plus grandes, un rapport similaire à ce que l’on trouve dans l’univers plus récent. Une puissante combinaison du télescope Subaru et du JWST a ouvert une nouvelle voie pour étudier l’univers lointain.
L’existence de trous noirs aussi massifs dans l’univers lointain a créé plus de questions que de réponses pour les astrophysiciens. Comment ces trous noirs ont-ils pu devenir si grands alors que l’univers était si jeune ? Encore plus déroutant, les observations dans l’univers local montrent une relation claire entre la masse des trous noirs supermassifs et les galaxies beaucoup plus grandes dans lesquelles ils résident. Les galaxies et les trous noirs ont des tailles complètement différentes, alors qui est venu en premier : les trous noirs ou les galaxies ? Il s’agit d’un problème “poulet ou œuf” à l’échelle cosmique.
Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par le chercheur du projet Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Xuheng Ding et le professeur John Silverman, et l’Institut Kavli d’astronomie et d’astrophysique de l’Université de Pékin (PKU-KIAA) Kavli Astrophysics Fellow Masafusa Onoue ont commencé à répondre à cette question avec le télescope spatial James Webb (JWST), lancé en décembre 2021. L’étude de la relation entre les galaxies hôtes et les trous noirs dans l’univers primitif permet aux scientifiques d’observer leur formation et de voir comment ils sont liés les uns aux autres .
Les quasars sont lumineux, tandis que leurs galaxies hôtes sont faibles, ce qui a rendu difficile pour les chercheurs de détecter la faible lumière de la galaxie dans l’éblouissement du quasar, en particulier à de grandes distances. Avant le JWST, le télescope spatial Hubble était capable de détecter des galaxies hôtes de quasars lumineux lorsque l’univers avait un peu moins de 3 milliards d’années, mais pas plus jeune.
La superbe sensibilité et les images ultra-nettes du JWST aux longueurs d’onde infrarouges ont finalement permis aux chercheurs de pousser ces études jusqu’à l’époque où les quasars et les galaxies se sont formées pour la première fois. Quelques mois seulement après le début des opérations régulières de JWST, l’équipe a observé deux quasars, HSC J2236 + 0032 et HSC J2255 + 0251, à des décalages vers le rouge de 6,40 et 6,34 alors que l’univers avait environ 860 millions d’années. Ces deux quasars ont été découverts lors d’un programme d’étude en profondeur du télescope Subaru de 8,2 m au sommet de Maunakea à Hawai’i. Les luminosités relativement faibles de ces quasars en ont fait des cibles de choix pour la mesure des propriétés de la galaxie hôte, et la détection réussie des hôtes représente la première époque à ce jour à laquelle la lumière des étoiles a été détectée dans un quasar.
Les images des deux quasars ont été prises à des longueurs d’onde infrarouges de 3,56 et 1,50 micron avec l’instrument NIRCam de JWST, et les galaxies hôtes sont devenues apparentes après avoir soigneusement modélisé et soustrait l’éblouissement des trous noirs en accrétion. La signature stellaire de la galaxie hôte a également été observée dans un spectre pris par le NIRSPEC de JWST pour J2236 + 0032, soutenant davantage la détection de la galaxie hôte.
Les analyses de la photométrie de la galaxie hôte ont révélé que ces deux galaxies hôtes quasars sont massives, mesurant respectivement 130 et 34 milliards de fois la masse du Soleil. La mesure de la vitesse du gaz turbulent au voisinage des quasars à partir des spectres NIRSPEC suggère que les trous noirs qui les alimentent sont également massifs, mesurant 1,4 et 0,2 milliards de fois la masse du Soleil. Le rapport de la masse du trou noir à la masse de la galaxie hôte est similaire à ceux des galaxies dans un passé plus récent, suggérant que la relation entre les trous noirs et leurs hôtes était déjà en place 860 millions d’années après le Big Bang.
Ding, Silverman, Onoue et leurs collègues poursuivront cette étude avec un échantillon plus large en utilisant les observations programmées du cycle 1 JWST, ce qui contraindra ensuite davantage les modèles de coévolution des trous noirs et de leurs galaxies hôtes. L’équipe a récemment appris qu’elle avait obtenu du temps supplémentaire pour JWST dans son prochain cycle pour étudier la galaxie hôte de J2236 + 0032 de manière beaucoup plus détaillée.
Les détails de cette étude seront publiés dans Nature le 28 juin.
