Trous noirs supermassifs, qui résident probablement au centre de pratiquement toutes les galaxies, sont incroyablement denses, régions compactes de l'espace d'où rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper. En tant que tel trou noir, pesant des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil, dévore la matière, il est entouré d'un disque de gaz tourbillonnant. Lorsque le gaz de ce disque tombe vers le trou noir, il libère une énorme quantité d'énergie. Cette énergie crée un noyau galactique brillant et puissant appelé quasar, dont la lumière peut largement surpasser sa galaxie hôte.

Les astronomes croient largement que l'énergie des quasars est responsable de la limitation de la croissance des galaxies massives. Peu de temps après le lancement du télescope spatial James Webb de la NASA, les scientifiques prévoient d'étudier l'effet de trois quasars soigneusement sélectionnés sur leurs galaxies hôtes dans un programme appelé Q3D.

Un trou noir supermassif est très petit par rapport à sa galaxie hôte, c'est l'équivalent d'un centime par rapport à la taille de la Lune entière. Toujours, Les trous noirs supermassifs ont une immense influence sur les galaxies qu'ils habitent.

« Des objets physiquement très petits, les trous noirs supermassifs semblent avoir un impact énorme sur l'évolution des galaxies et finalement sur l'apparence de notre univers aujourd'hui, " a déclaré la chercheuse principale de Q3D, Dominika Wylezalek, un chef de groupe de recherche à l'Université de Heidelberg en Allemagne.

Il y a deux décennies, les scientifiques ont émis l'hypothèse du rôle critique des quasars dans la limitation de la croissance des galaxies, mais des preuves d'observation spécifiques ont été étonnamment difficiles à trouver. Les scientifiques pensent que les vents torrentiels d'un quasar poussent chaque année l'équivalent de centaines de masses solaires de matière. Alors que les vents des quasars balayent le disque de la galaxie, la matière qui aurait autrement formé de nouvelles étoiles est violemment emportée hors de la galaxie, provoquant l'arrêt de la naissance des étoiles. Mais observer la puissance et la portée des quasars sur leurs galaxies hôtes reste un problème majeur non résolu en astrophysique moderne. Le télescope Webb pourrait changer cela.

Analyse des données en 3D

En plus de sa sensibilité exquise, résolution et vision infrarouge, Les capacités de Webb incluent la spectroscopie d'imagerie tridimensionnelle unique. Cette technique d'observation spéciale permet à l'équipe d'obtenir des mesures détaillées de la lumière pour chaque pixel dans le champ de vision. Il assemble de nombreuses images à des longueurs d'onde légèrement différentes. Cela permet aux scientifiques de cartographier spatialement les mouvements de gaz à l'intérieur de la galaxie. La technique va révolutionner la compréhension de la relation entre les trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes en permettant aux scientifiques de sonder les étoiles, gaz et poussière dans les galaxies proches et lointaines.

"La spectroscopie imageuse est importante pour nous car les vents dans ces quasars lointains ne sont pas forcément symétriques, " a expliqué le co-chercheur principal Sylvain Veilleux, professeur d'astronomie à l'Université du Maryland, Parc du Collège. "Donc, il faut un spectre à chaque position pour déterminer quelle est leur géométrie et pouvoir tirer les informations importantes de ces vents et de l'impact qu'ils ont sur leurs galaxies hôtes."

Étudier trois quasars et leurs hôtes

L'équipe Q3D étudiera trois quasars brillants pour mesurer l'activité résultant de l'accrétion de matière sur des trous noirs supermassifs, et comment les galaxies hôtes sont affectées par cette activité. L'équipe a choisi les trois quasars pour des raisons scientifiques, mais aussi pour tester et évaluer les capacités de Webb. Les objets couvrent intentionnellement une très large plage de distance de la Terre, de relativement proche à très éloigné. Ils sont également parmi les quasars les plus lumineux à leurs distances respectives et sont connus pour avoir des sorties de matière.

De puissants écoulements de quasars semblent empêcher le gaz d'une galaxie de former de nouvelles étoiles et de faire croître la galaxie. Les scientifiques pensent que cette connexion quasar-galaxie est cruciale pour déterminer comment les galaxies évoluent du début de l'univers à nos jours. C'est particulièrement important pour les galaxies quelques fois plus grandes que la Voie lactée, car les hôtes quasars sont généralement des galaxies plus massives.

Voir au-delà de la lumière vive

Les quasars sont très brillants par rapport au matériau qui les entoure, l'équipe développe donc des outils logiciels spéciaux qui leur permettent d'étudier les phénomènes. Lorsque les quasars ont été découverts dans les années 1950, c'étaient des sources radio brillantes qui ressemblaient à des étoiles sur des plaques photographiques, on les appelait donc "sources radio quasi-stellaires". Finalement, les astronomes ont appris que les quasars étaient en fait à l'intérieur des galaxies, mais ils étaient si brillants qu'ils éclipsaient leurs galaxies hôtes.

"Nous nous intéressons au quasar lui-même - le brillant, une chose semblable à une étoile au milieu, mais nous nous intéressons également à la galaxie hôte plus faible. Et pas seulement la galaxie hôte, mais la sortie encore plus faible de l'hôte. C'est le gaz qui ne tourne pas autour du quasar, ou le centre de la galaxie, mais coule à la place. Pour voir ce truc vraiment faible derrière le quasar, nous devons supprimer la lumière du quasar. C'est une chose unique que le logiciel fera", a déclaré le co-chercheur David Rupke, professeur agrégé de physique au Rhodes College de Memphis, Tennessee. Rupke dirige l'effort d'écriture du logiciel pour analyser les données Q3D.

Ouvrir la voie aux futures études Webb

L'étude Q3D fait partie du programme Director's Discretionary-Early Release Science, qui fournit des données publiques à l'ensemble de la communauté scientifique au début de la mission du télescope. Ce programme permet à la communauté astronomique d'apprendre rapidement comment utiliser au mieux les capacités de Webb, tout en produisant une science solide.

« D'un point de vue technique, avec nos observations, nous testons différents modes, filtres et combinaisons, " a expliqué Wylezalek. " Il sera très utile pour la communauté scientifique de voir les performances dans ces différents modes. Scientifiquement, nous sondons des quasars à différentes luminosités et temps cosmiques pour informer la communauté des performances de Webb lors de l'évaluation de différentes questions scientifiques. »

Le logiciel Q3D ne sera pas seulement utile pour les utilisateurs d'observation des quasars, mais pour toute personne observant lumineux, point par point, sources centrales sur des sources plus faibles. De telles observations pourraient inclure des amas de super étoiles, supernova, événements de perturbation des marées, ou sursauts gamma.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.