Hubble découvre de manière inattendue un double quasar dans un univers lointain
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L’univers primitif était un endroit exubérant où les galaxies se rencontraient souvent et même fusionnaient. En utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA et d’autres observatoires spatiaux et terrestres, les astronomes enquêtant sur ces développements ont fait une découverte inattendue et rare : une paire de quasars gravitationnellement liés, tous deux flamboyants à l’intérieur de deux galaxies en fusion. Ils existaient alors que l’univers n’avait que 3 milliards d’années.
Les quasars sont des objets brillants alimentés par des trous noirs voraces et supermassifs qui projettent des fontaines d’énergie féroces alors qu’ils s’engorgent de gaz, de poussière et de tout ce qui est à leur portée gravitationnelle.
“Nous ne voyons pas beaucoup de quasars doubles à ce stade précoce de l’univers. Et c’est pourquoi cette découverte est si excitante”, a déclaré Yu-Ching Chen, étudiant diplômé de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, auteur principal de ce étude.
La découverte de quasars binaires proches est un domaine de recherche relativement nouveau qui vient de se développer au cours des 10 à 15 dernières années. Les nouveaux observatoires puissants d’aujourd’hui ont permis aux astronomes d’identifier les cas où deux quasars sont actifs en même temps et sont suffisamment proches pour finir par fusionner.
Il y a de plus en plus de preuves que les grandes galaxies se forment par fusion. Des systèmes plus petits se rassemblent pour former des systèmes plus grands et des structures toujours plus grandes. Au cours de ce processus, des paires de trous noirs supermassifs devraient se former dans les galaxies en fusion. “Connaître la population progénitrice des trous noirs nous renseignera éventuellement sur l’émergence de trous noirs supermassifs dans l’univers primitif et sur la fréquence de ces fusions”, a déclaré Chen.
“Nous commençons à dévoiler cette pointe de l’iceberg de la population des premiers quasars binaires”, a déclaré Xin Liu de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. “C’est le caractère unique de cette étude. Elle nous dit en fait que cette population existe, et maintenant nous avons une méthode pour identifier les doubles quasars qui sont séparés par moins que la taille d’une seule galaxie.”
Il s’agissait d’une recherche aiguille dans une botte de foin qui nécessitait la puissance combinée du télescope spatial Hubble de la NASA et des observatoires WM Keck à Hawaï. Les observations à plusieurs longueurs d’onde de l’Observatoire international Gemini à Hawaï, du Karl G. Jansky Very Large Array de la NSF au Nouveau-Mexique et de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA ont également contribué à comprendre le duo dynamique. Et, l’observatoire spatial Gaia de l’ESA (Agence spatiale européenne) a aidé à identifier ce double quasar en premier lieu.
“La sensibilité et la résolution de Hubble ont fourni des images qui nous permettent d’exclure d’autres possibilités pour ce que nous voyons”, a déclaré Chen. Hubble montre, sans équivoque, qu’il s’agit bien d’une véritable paire de trous noirs supermassifs, plutôt que de deux images du même quasar créées par une lentille gravitationnelle de premier plan. Et, Hubble montre une caractéristique de marée de la fusion de deux galaxies, où la gravité déforme la forme des galaxies formant deux queues d’étoiles.
Cependant, la résolution nette de Hubble n’est pas suffisante à elle seule pour rechercher ces balises à double lumière. Les chercheurs ont fait appel à Gaia, qui a été lancé en 2013, pour identifier les candidats potentiels à double quasar. Gaia mesure très précisément les positions, les distances et les mouvements des objets célestes proches. Mais dans une nouvelle technique, il peut être utilisé pour explorer l’univers lointain. L’énorme base de données de Gaia peut être utilisée pour rechercher des quasars qui imitent le mouvement apparent des étoiles proches. Les quasars apparaissent comme des objets uniques dans les données de Gaia car ils sont si proches les uns des autres. Cependant, Gaia peut capter un “séisme” subtil et inattendu qui imite un changement apparent de position de certains des quasars qu’il observe.
En réalité, les quasars ne se déplacent pas dans l’espace de manière mesurable. Au lieu de cela, leur tremblement pourrait être la preuve de fluctuations aléatoires de la lumière car chaque membre de la paire de quasars varie en luminosité sur des échelles de temps allant de jours à des mois, en fonction du programme d’alimentation de leur trou noir. Cette luminosité alternée entre la paire de quasars est similaire à la vision d’un signal de passage à niveau à distance. Comme les lumières des deux côtés du signal fixe clignotent alternativement, le signe donne l’illusion de “se trémousser”.
Un autre défi est que parce que la gravité déforme l’espace comme un miroir funhouse, une galaxie de premier plan pourrait diviser l’image d’un quasar distant en deux, créant l’illusion qu’il s’agissait vraiment d’une paire binaire. Le télescope Keck a été utilisé pour s’assurer qu’il n’y a pas de galaxie lentille entre nous et le double quasar présumé.
Parce que Hubble scrute le passé lointain, ce double quasar n’existe plus. Au cours des 10 milliards d’années qui se sont écoulées, leurs galaxies hôtes se sont probablement installées dans une galaxie elliptique géante, comme celles que l’on voit aujourd’hui dans l’univers local. Et, les quasars ont fusionné pour devenir un trou noir gargantuesque et supermassif en son centre. La galaxie elliptique géante voisine, M87, possède un trou noir monstrueux pesant 6,5 milliards de fois la masse de notre Soleil. Peut-être que ce trou noir s’est développé à partir d’une ou plusieurs fusions de galaxies au cours des derniers milliards d’années.
Le futur télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, ayant la même acuité visuelle que Hubble, est idéal pour la chasse aux quasars binaires. Hubble a été utilisé pour prendre minutieusement des données pour des cibles individuelles. Mais la vue infrarouge très grand angle de l’univers de Roman est 200 fois plus grande que celle de Hubble. “Beaucoup de quasars pourraient être des systèmes binaires. Le télescope romain peut apporter d’énormes améliorations dans ce domaine de recherche”, a déclaré Liu.
