L'illustration de cet artiste représente deux galaxies qui existaient dans le premier milliard d'années de l'univers. La plus grande galaxie à gauche abrite un quasar brillant en son centre, dont la lueur est alimentée par la matière chaude entourant un trou noir supermassif. Les scientifiques calculent que la résolution et la sensibilité infrarouge du prochain télescope spatial James Webb de la NASA lui permettront de détecter une galaxie hôte poussiéreuse comme celle-ci malgré le faisceau du projecteur du quasar. Crédits :J. Olmsted (STScI)
Les quasars sont les objets les plus brillants de l'univers et parmi les plus énergétiques. Ils éclipsent des galaxies entières de milliards d'étoiles. Un trou noir supermassif se trouve au cœur de chaque quasar, mais tous les trous noirs ne sont pas des quasars. Seuls les trous noirs qui se nourrissent le plus voracement peuvent alimenter un quasar. La matière tombant dans le trou noir supermassif se réchauffe, et fait briller férocement un quasar à travers l'univers comme une balise de phare.
Bien que les quasars soient connus pour résider au centre des galaxies, il a été difficile de dire à quoi ressemblent ces galaxies et comment elles se comparent aux galaxies sans quasars. Le défi est que l'éblouissement du quasar rend difficile, voire impossible, la détection de la lumière de la galaxie hôte environnante. C'est comme regarder directement dans un phare de voiture et essayer de comprendre à quel type d'automobile il est attaché.
Une nouvelle étude suggère que le télescope spatial James Webb de la NASA, lancement prévu en 2021, pourra révéler les galaxies hôtes de certains quasars lointains malgré leur petite taille et leur poussière obscurcissante.
« Nous voulons savoir dans quel type de galaxies ces quasars vivent. Cela peut nous aider à répondre à des questions telles que : Comment les trous noirs peuvent-ils devenir si gros si vite ? comme nous le voyons dans l'univers voisin ?", a déclaré l'auteur principal Madeline Marshall de l'Université de Melbourne en Australie, qui a mené ses travaux au sein du Centre d'excellence de l'ARC en astrophysique du ciel en 3 dimensions.
Répondre à ces questions est difficile pour un certain nombre de raisons. En particulier, plus une galaxie est éloignée, plus sa lumière a été étendue à des longueurs d'onde plus longues par l'expansion de l'univers. Par conséquent, la lumière ultraviolette du disque d'accrétion du trou noir ou des jeunes étoiles de la galaxie se déplace vers les longueurs d'onde infrarouges.
Dans une étude récente, les astronomes ont utilisé les capacités dans le proche infrarouge du télescope spatial Hubble de la NASA pour étudier les quasars connus dans l'espoir de repérer la lueur environnante de leurs galaxies hôtes, sans détections significatives. Cela suggère que la poussière dans les galaxies obscurcit la lumière de leurs étoiles. Les détecteurs infrarouges de Webb pourront scruter la poussière et découvrir les galaxies cachées.
"Hubble ne va tout simplement pas assez loin dans l'infrarouge pour voir les galaxies hôtes. C'est là que Webb excellera vraiment, " a déclaré Rogier Windhorst de l'Université d'État de l'Arizona à Tempe, un co-auteur de l'étude Hubble.
Pour déterminer ce que Webb est censé voir, l'équipe a utilisé une simulation informatique de pointe appelée BlueTides, développé par une équipe dirigée par Tiziana Di Matteo à l'Université Carnegie Mellon de Pittsburgh, Pennsylvanie.
"BlueTides est conçu pour étudier la formation et l'évolution des galaxies et des quasars au cours du premier milliard d'années de l'histoire de l'univers. Son grand volume cosmique et sa haute résolution spatiale nous permettent d'étudier ces rares hôtes quasars sur une base statistique, " a déclaré Yueying Ni de l'Université Carnegie Mellon, qui a exécuté la simulation BlueTides. BlueTides fournit un bon accord avec les observations actuelles et permet aux astronomes de prédire ce que Webb devrait voir.
L'équipe a découvert que les galaxies hébergeant des quasars avaient tendance à être plus petites que la moyenne, couvrant seulement environ 1/30 du diamètre de la Voie lactée, bien qu'elle contienne presque autant de masse que notre galaxie. "Les galaxies hôtes sont étonnamment petites par rapport à la galaxie moyenne à ce moment-là, " dit Maréchal.
Les galaxies de la simulation avaient également tendance à former des étoiles rapidement, jusqu'à 600 fois plus rapide que le taux actuel de formation d'étoiles dans la Voie lactée. « Nous avons constaté que ces systèmes se développent très rapidement. Ils sont comme des enfants précoces – ils font tout très tôt, " a expliqué le co-auteur Di Matteo.
L'équipe a ensuite utilisé ces simulations pour déterminer ce que les caméras de Webb verraient si l'observatoire étudiait ces systèmes distants. Ils ont découvert qu'il serait possible de distinguer la galaxie hôte du quasar, bien que toujours difficile en raison de la petite taille de la galaxie dans le ciel.
"Webb offrira la possibilité d'observer pour la première fois ces galaxies hôtes très éloignées, " dit Maréchal.
Ils ont également examiné ce que les spectrographes de Webb pourraient tirer de ces systèmes. Etudes spectrales, qui divise la lumière entrante en ses couleurs ou longueurs d'onde composantes, serait en mesure de révéler la composition chimique de la poussière dans ces systèmes. Apprendre combien d'éléments lourds ils contiennent pourrait aider les astronomes à comprendre leur histoire de formation d'étoiles, puisque la plupart des éléments chimiques sont produits dans les étoiles.
Webb pourrait également déterminer si les galaxies hôtes sont isolées ou non. L'étude de Hubble a révélé que la plupart des quasars avaient des galaxies compagnes détectables, mais n'a pas pu déterminer si ces galaxies étaient réellement proches ou s'il s'agissait de superpositions fortuites. Les capacités spectrales de Webb permettront aux astronomes de mesurer les décalages vers le rouge, et donc des distances, de ces galaxies compagnes apparentes pour déterminer si elles sont à la même distance que le quasar.
Finalement, Les observations de Webb devraient fournir de nouvelles informations sur ces systèmes extrêmes. Les astronomes ont encore du mal à comprendre comment un trou noir pourrait peser un milliard de fois plus que notre Soleil en seulement un milliard d'années. "Ces grands trous noirs ne devraient pas exister si tôt parce qu'il n'y a pas eu assez de temps pour qu'ils deviennent si massifs, " a déclaré le co-auteur Stuart Wyithe de l'Université de Melbourne.
Les futures études sur les quasars seront également alimentées par les synergies entre les multiples observatoires à venir. Relevés infrarouges avec la mission Euclid de l'Agence Spatiale Européenne, ainsi que l'observatoire au sol Vera C. Rubin, une installation de la National Science Foundation/Department of Energy actuellement en construction sur le Cerro Pachón dans le désert d'Atacama au Chili. Les deux observatoires augmenteront considérablement le nombre de quasars distants connus. Ces nouveaux quasars seront ensuite examinés par Hubble et Webb pour mieux comprendre les années de formation de l'univers.
