Le télescope Webb détecte le trou noir supermassif actif le plus éloigné

En plus du trou noir dans CEERS 1019, les chercheurs ont identifié deux autres trous noirs qui sont plus petits et existaient 1 milliard et 1,1 milliard d’années après le big bang. JWST a également identifié onze galaxies qui existaient lorsque l’univers avait entre 470 et 675 millions d’années. La preuve a été fournie par l’enquête Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) du JWST, dirigée par Steven Finkelstein, professeur d’astronomie à l’Université du Texas à Austin. Le programme combine les images très détaillées dans le proche et moyen infrarouge de JWST et les données connues sous le nom de spectres, qui ont toutes été utilisées pour faire ces découvertes.

“Regarder cet objet lointain avec ce télescope, c’est un peu comme regarder les données des trous noirs qui existent dans les galaxies proches de la nôtre”, a déclaré Rebecca Larson, récemment titulaire d’un doctorat. diplômé de l’UT Austin, qui a dirigé l’étude. “Il y a tellement de raies spectrales à analyser !”

L’équipe a publié ces résultats dans plusieurs articles initiaux dans une édition spéciale de Les lettres du journal astrophysique.

CEERS 1019 se distingue non seulement par son ancienneté, mais aussi par le poids relativement faible de son trou noir. Il enregistre environ 9 millions de masses solaires, bien moins que les autres trous noirs qui existaient également dans l’univers primitif et ont été détectés par d’autres télescopes. Ces mastodontes contiennent généralement plus d’un milliard de fois la masse du soleil – et ils sont plus faciles à détecter car ils sont beaucoup plus brillants. Le trou noir dans CEERS 1019 ressemble plus au trou noir au centre de notre galaxie de la Voie lactée, qui fait 4,6 millions de fois la masse du soleil.

Bien que plus petit, ce trou noir existait tellement plus tôt qu’il est encore difficile d’expliquer comment il s’est formé si peu de temps après le début de l’univers. Les chercheurs savent depuis longtemps que des trous noirs plus petits doivent avoir existé plus tôt dans l’univers, mais ce n’est que lorsque JWST a commencé à observer qu’ils ont pu faire des détections définitives.

Non seulement l’équipe pourrait démêler quelles émissions dans le spectre proviennent du trou noir et lesquelles proviennent de sa galaxie hôte, mais elle pourrait également déterminer la quantité de gaz que le trou noir ingère et déterminer le taux de formation d’étoiles de sa galaxie.

L’équipe a découvert que cette galaxie ingère autant de gaz que possible tout en produisant de nouvelles étoiles. Ils se sont tournés vers les images pour explorer pourquoi cela pourrait être. Visuellement, CEERS 1019 apparaît sous la forme de trois touffes lumineuses, et non d’un seul disque circulaire.

“Nous n’avons pas l’habitude de voir autant de structure dans les images à ces distances”, a déclaré Jeyhan Kartaltepe, membre de l’équipe CEERS, professeur agrégé d’astronomie au Rochester Institute of Technology de New York. “Une fusion de galaxies pourrait être en partie responsable de l’alimentation de l’activité dans le trou noir de cette galaxie, et cela pourrait également conduire à une augmentation de la formation d’étoiles.”

Ce ne sont que les premiers résultats révolutionnaires de l’enquête CEERS.

“Jusqu’à présent, la recherche sur les objets de l’univers primitif était en grande partie théorique”, a déclaré Finkelstein. “Avec Webb, non seulement nous pouvons voir des trous noirs et des galaxies à des distances extrêmes, mais nous pouvons maintenant commencer à les mesurer avec précision. C’est la formidable puissance de ce télescope.”

À l’avenir, il est possible que les données du JWST soient également utilisées pour expliquer comment les premiers trous noirs se sont formés, en révisant les modèles des chercheurs sur la croissance et l’évolution des trous noirs au cours des premières centaines de millions d’années de l’histoire de l’univers.

Le télescope spatial James Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’Agence spatiale européenne et l’Agence spatiale canadienne.

Trous noirs et galaxies plus extrêmement éloignés

L’enquête CEERS est vaste et il reste encore beaucoup à explorer. Le membre de l’équipe Dale Kocevski du Colby College à Waterville, dans le Maine, et l’équipe ont rapidement repéré une autre paire de petits trous noirs dans les données. Le premier, dans la galaxie CEERS 2782, était le plus facile à repérer. Il n’y a pas de poussière obscurcissant la vision du JWST, les chercheurs ont donc pu déterminer immédiatement quand son trou noir existait dans l’histoire de l’univers – seulement 1,1 milliard d’années après le big bang. Le deuxième trou noir, dans la galaxie CEERS 746, existait un peu plus tôt, 1 milliard d’années après le big bang. Son disque d’accrétion brillant, un anneau composé de gaz et de poussière qui encercle son trou noir supermassif, est encore partiellement obscurci par la poussière.

“Le trou noir central est visible, mais la présence de poussière suggère qu’il pourrait se trouver dans une galaxie qui pompe aussi furieusement des étoiles”, a expliqué Kocevski.

Comme celui de CEERS 1019, les deux autres trous noirs nouvellement décrits (dans les galaxies CEERS 2782 et CEERS 746) sont également des “poids légers” – du moins par rapport aux trous noirs supermassifs connus précédemment à ces distances. Ils ne représentent qu’environ 10 millions de fois la masse du soleil.

“Les chercheurs savent depuis longtemps qu’il doit y avoir des trous noirs de masse inférieure dans l’univers primitif. Webb est le premier observatoire capable de les capturer aussi clairement”, a déclaré Kocevski. “Maintenant, nous pensons que les trous noirs de masse inférieure pourraient être partout, attendant d’être découverts.”

Avant JWST, les trois trous noirs étaient trop faibles pour être détectés.

“Avec d’autres télescopes, ces cibles ressemblent à des galaxies ordinaires formant des étoiles, et non à des trous noirs supermassifs actifs”, a ajouté Finkelstein.

Les spectres sensibles de JWST ont également permis à ces chercheurs de mesurer avec précision les distances et donc les âges des galaxies de l’univers primitif. Les membres de l’équipe Pablo Arrabal Haro du NOIRLab de la National Science Foundation et Seiji Fujimoto, chercheur postdoctoral et boursier Hubble à l’UT Austin, ont identifié 11 galaxies qui existaient 470 à 675 millions d’années après le big bang. Non seulement elles sont extrêmement éloignées, mais le fait que tant de galaxies brillantes aient été détectées est remarquable. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que JWST détecterait moins de galaxies que celles trouvées à ces distances.

“Je suis submergé par la quantité de spectres très détaillés de galaxies éloignées que Webb a renvoyés”, a déclaré Arrabal Haro. “Ces données sont absolument incroyables.”

Ces galaxies forment rapidement des étoiles mais ne sont pas encore aussi chimiquement enrichies que les galaxies qui sont beaucoup plus proches de chez elles.

“Webb a été le premier à détecter certaines de ces galaxies”, a expliqué Fujimoto. “Cet ensemble, ainsi que d’autres galaxies lointaines que nous pourrions identifier à l’avenir, pourraient changer notre compréhension de la formation des étoiles et de l’évolution des galaxies tout au long de l’histoire cosmique”, a-t-il ajouté.

Lien vers l’édition spéciale de Les lettres du journal astrophysique : https://iopscience.iop.org/collections/apjl-230504-220_Focus-on-CEERS-JWST-Survey