L'un des halos de gaz nouvellement observés avec l'instrument MUSE sur le Very Large Telescope de l'ESO superposé à une image plus ancienne d'une fusion de galaxies obtenue avec ALMA. Le halo à grande échelle d'hydrogène gazeux est représenté en bleu, tandis que les données ALMA sont affichées en orange. Le halo est lié à la galaxie, qui contient un quasar en son centre. Le faible, L'hydrogène gazeux incandescent dans le halo fournit la source de nourriture parfaite pour le trou noir supermassif au centre du quasar. Les objets de cette image sont situés au redshift 6.2, ce qui signifie qu'ils sont vus tels qu'ils étaient il y a 12,8 milliards d'années. Alors que les quasars sont brillants, les réservoirs de gaz qui les entourent sont beaucoup plus difficiles à observer. Mais MUSE pouvait détecter la faible lueur du gaz hydrogène dans les halos, permettant aux astronomes de révéler enfin les réserves de nourriture qui alimentent les trous noirs supermassifs au début de l'Univers. Crédit :ESO/Farina et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Decarli et al.
Les astronomes utilisant le Very Large Telescope de l'ESO ont observé des réservoirs de gaz froid autour de certaines des premières galaxies de l'Univers. Ces halos de gaz sont la nourriture parfaite pour les trous noirs supermassifs au centre de ces galaxies, qui sont maintenant vues telles qu'elles étaient il y a plus de 12,5 milliards d'années. Ce stockage de nourriture pourrait expliquer comment ces monstres cosmiques ont grandi si vite au cours d'une période de l'histoire de l'Univers connue sous le nom d'Aube cosmique.
« Nous sommes maintenant en mesure de démontrer, pour la première fois, que les galaxies primordiales ont suffisamment de nourriture dans leur environnement pour soutenir à la fois la croissance de trous noirs supermassifs et la formation vigoureuse d'étoiles, " dit Emanuele Paolo Farina, de l'Institut Max Planck d'Astronomie à Heidelberg, Allemagne, qui a dirigé la recherche publiée aujourd'hui dans Le Journal d'Astrophysique . "Cela ajoute une pièce fondamentale au puzzle que les astronomes construisent pour imaginer comment les structures cosmiques se sont formées il y a plus de 12 milliards d'années."
Les astronomes se sont demandé comment les trous noirs supermassifs ont pu devenir si gros si tôt dans l'histoire de l'Univers. "La présence de ces premiers monstres, avec des masses plusieurs milliards de fois la masse de notre Soleil, est un grand mystère, " dit Farina, qui est également affilié à l'Institut Max Planck d'astrophysique à Garching bei München. Cela signifie que les premiers trous noirs, qui aurait pu se former à partir de l'effondrement des premières étoiles, doit avoir grandi très vite. Mais, jusqu'à maintenant, les astronomes n'avaient pas repéré de « nourriture de trou noir » (gaz et poussière) en quantités suffisamment importantes pour expliquer cette croissance rapide.
Pour compliquer encore les choses, observations précédentes avec ALMA, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, a révélé beaucoup de poussière et de gaz dans ces premières galaxies qui ont alimenté la formation rapide d'étoiles. Ces observations d'ALMA suggèrent qu'il pourrait en rester peu pour alimenter un trou noir.
Pour résoudre ce mystère, Farina et ses collègues ont utilisé l'instrument MUSE du Very Large Telescope de l'ESO dans le désert chilien d'Atacama pour étudier les quasars, des objets extrêmement lumineux alimentés par des trous noirs supermassifs qui se trouvent au centre de galaxies massives. L'étude a étudié 31 quasars tels qu'ils étaient il y a plus de 12,5 milliards d'années, à une époque où l'Univers n'était encore qu'un enfant, seulement environ 870 millions d'années. C'est l'un des plus grands échantillons de quasars de ce début de l'histoire de l'Univers à être étudié.
Les astronomes ont découvert que 12 quasars étaient entourés d'énormes réservoirs de gaz :des halos de froid, hydrogène gazeux dense s'étendant à 100 000 années-lumière des trous noirs centraux et avec des milliards de fois la masse du Soleil. L'équipe, de l'Allemagne, les Etats Unis, l'Italie et le Chili, ont également constaté que ces halos de gaz étaient étroitement liés aux galaxies, fournissant la source de nourriture parfaite pour soutenir à la fois la croissance de trous noirs supermassifs et la formation vigoureuse d'étoiles.
La recherche a été possible grâce à la superbe sensibilité de MUSE, l'explorateur spectroscopique multi-unités, sur le VLT de l'ESO, ce qui, selon Farina, a « changé la donne » dans l'étude des quasars. « En quelques heures par cible, nous avons pu plonger dans les environs des trous noirs les plus massifs et les plus voraces présents dans le jeune Univers, " ajoute-t-il. Alors que les quasars sont brillants, les réservoirs de gaz qui les entourent sont beaucoup plus difficiles à observer. Mais MUSE pouvait détecter la faible lueur du gaz hydrogène dans les halos, permettant aux astronomes de révéler enfin les réserves de nourriture qui alimentent les trous noirs supermassifs au début de l'Univers.
À l'avenir, Le télescope extrêmement grand de l'ESO aidera les scientifiques à révéler encore plus de détails sur les galaxies et les trous noirs supermassifs au cours des deux premiers milliards d'années après le Big Bang. "Avec la puissance de l'ELT, nous pourrons plonger encore plus profondément dans l'Univers primitif pour trouver beaucoup plus de ces nébuleuses à gaz, " conclut Farina.
Cette recherche est présentée dans un article à paraître dans The Journal d'astrophysique .
