Les scientifiques ont utilisé les minuscules distorsions imprimées sur le fond diffus cosmologique par la gravité de la matière dans tout l'univers, enregistré par le satellite Planck de l'ESA, pour découvrir le lien entre la luminosité des quasars – les noyaux brillants des galaxies actives – et la masse des « halos » beaucoup plus grands de matière noire dans lesquels ils se trouvent. Le résultat est une confirmation importante pour notre compréhension de l'évolution des galaxies à travers l'histoire cosmique.

La plupart des galaxies de l'univers sont connues pour héberger des trous noirs supermassifs, avec des masses de millions à des milliards de fois la masse du Soleil, à leurs noyaux. La majorité de ces monstres cosmiques sont « dormants », avec peu ou pas d'activité à proximité d'eux, mais environ un pour cent sont classés comme « actifs », accroissant la matière de leur environnement à des taux très intenses. Ce processus d'accrétion fait briller le matériau à proximité du trou noir à travers le spectre électromagnétique, faire de ces galaxies actives, ou quasars, certaines des sources les plus brillantes du cosmos.

Bien qu'on ne sache toujours pas ce qui active ces trous noirs, allumer et éteindre leur phase d'accrétion intense, il est probable que les quasars jouent un rôle important dans la régulation de l'évolution des galaxies à travers l'histoire cosmique. Pour cette raison, il est crucial de comprendre la relation entre les quasars, leurs galaxies hôtes, et leur environnement à des échelles encore plus grandes.

Dans une étude récente dirigée par James Geach de l'Université du Hertfordshire, ROYAUME-UNI, les scientifiques ont combiné les données de la mission Planck de l'ESA avec la plus grande étude de quasars disponible à ce jour pour faire la lumière sur ce sujet fascinant.

Selon le scénario dominant de formation de structure dans l'univers, les galaxies prennent forme à partir de matière ordinaire dans les nœuds les plus denses de la toile cosmique - un réseau filamentaire, constitué principalement de la matière noire invisible, qui envahit le cosmos. À son tour, la distribution complexe de la matière ordinaire et noire provient de minuscules fluctuations dans l'univers primordial, qui laissent une empreinte dans le fond diffus cosmologique (CMB), la lumière la plus ancienne de l'histoire de l'univers.

Le satellite Planck a scruté le ciel entre 2009 et 2013 pour créer la carte du ciel la plus précise du CMB, permettre aux scientifiques d'affiner notre connaissance de l'époque, expansion, l'histoire, et le contenu de l'univers à des niveaux de précision sans précédent.

Et il y a plus :comme le prédit la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, les objets massifs plient le tissu de l'espace-temps autour d'eux, déformant le chemin de tout – même de la lumière – qui passe à proximité. Ce phénomène, connu sous le nom de lentille gravitationnelle, affecte également les mesures de Planck du CMB, qui portent une empreinte de la distribution à grande échelle de la matière que la lumière cosmique la plus ancienne a rencontrée sur son chemin vers le satellite.

"Nous savons que les galaxies se forment et évoluent au sein d'un "échafaudage" invisible de matière noire que nous ne pouvons pas observer directement, mais nous pouvons exploiter les distorsions de lentilles gravitationnelles imprimées sur le fond diffus cosmologique pour en savoir plus sur les structures de la matière noire autour des galaxies, " dit James Geach.

Les distorsions de lentille gravitationnelle du CMB sont faibles, réarrangeant l'image du ciel du CMB à des échelles d'environ 10 minutes d'arc, ce qui équivaut à seulement un tiers du diamètre de la pleine Lune. Mais de nombreuses petites déviations de l'autre côté du ciel peuvent être combinées, à l'aide de méthodes statistiques, pour obtenir un signal plus fort, entasser les données recueillies autour de nombreux quasars.

Dans leurs recherches, Geach et ses collègues ont analysé la dernière carte de lentilles gravitationnelles obtenue par l'équipe de Planck, rendu public dans le cadre du Planck Legacy Release en 2018, en combinaison avec 200 000 quasars tirés du plus grand échantillon jamais compilé, les plus d'un demi-million de quasars qui composent la version de données 14 du catalogue de quasars Sloan Digital Sky Survey.

"En combinant les données de Planck avec un si grand échantillon de quasars, nous pourrions mesurer la masse des halos de matière noire dans lesquels sont noyées les galaxies hôtes des quasars, et étudier comment cela varie pour des quasars de luminosité différente, " dit Geach.

L'analyse laisse entendre que plus un quasar est lumineux, plus son halo de matière noire est massif.

"C'est une preuve irréfutable qu'il existe une corrélation entre la luminosité d'un quasar, l'énergie qui est libérée à proximité immédiate d'un trou noir supermassif - une région couvrant peut-être quelques jours-lumière - et la masse du halo englobant de la matière noire et de l'environnement environnant, qui s'étend sur des dizaines de millions d'années-lumière autour du quasar, " explique Geach.

« Nous utilisons le fond diffus cosmologique comme une sorte de « rétroéclairage » de l'univers. Ce rétroéclairage a été focalisé par la matière de premier plan, et ainsi en corrélant les galaxies avec la carte de lentilles de Planck, nous avons une nouvelle façon d'étudier les galaxies et leur évolution."

La découverte soutient les modèles théoriques de la formation des quasars, qui prédisent une corrélation entre la luminosité du quasar et la masse du halo, en particulier pour les quasars les plus lumineux, où les trous noirs accrètent de la matière à une vitesse proche du taux maximum.

L'étude s'est concentrée sur les quasars lointains observés tels qu'ils étaient lorsque l'univers avait environ quatre milliards d'années, soit environ un tiers de son âge actuel de près de 14 milliards d'années. C'est proche de l'ère de pointe de la croissance des trous noirs supermassifs. En combinaison avec des levés de quasars plus approfondis à l'avenir, les données de Planck pourraient permettre aux scientifiques de pousser ces investigations à des temps encore plus anciens de l'histoire cosmique, jusqu'à l'époque où les premiers quasars se sont formés.

"Ce résultat montre la puissance des mesures de lentilles gravitationnelles de Planck, qui nous permettent de mesurer les structures invisibles de la matière noire dans lesquelles les galaxies se forment et évoluent, " dit Jan Tauber, Scientifique du projet Planck à l'ESA.

"L'héritage de Planck est assez étonnant, avec des données qui sont utilisées pour un éventail d'applications scientifiques beaucoup plus large que prévu à l'origine."

« La masse du halo des quasars optiquement lumineux à z ~ 1–2 mesurée via la déviation gravitationnelle du fond diffus cosmologique » par J. E. Geach et al. est publié dans Le Journal d'Astrophysique , Tome 874, Numéro 1.