Une équipe d'astronomes dirigée par l'Université de l'Arizona a observé un quasar lumineux à 13,03 milliards d'années-lumière de la Terre, le quasar le plus éloigné découvert à ce jour. Datant de 670 millions d'années après le Big Bang, quand l'univers n'avait que 5% de son âge actuel, le quasar héberge un trou noir supermassif équivalent à la masse combinée de 1,6 milliard de soleils.

En plus d'être la plus éloignée — et par extension, le plus ancien—quasar connu, l'objet est le premier du genre à montrer la preuve d'un vent sortant de gaz surchauffé s'échappant des environs du trou noir à un cinquième de la vitesse de la lumière. En plus de révéler un vent fort entraîné par les quasars, les nouvelles observations montrent également une intense activité de formation d'étoiles dans la galaxie hôte où le quasar, formellement désigné J0313-1806, est situé.

Les chercheurs présenteront leurs découvertes, qui ont été acceptés pour publication dans Lettres de revues astrophysiques , lors d'une conférence de presse et d'une conférence scientifique à la 237e réunion de l'American Astronomical Society, qui se tiendra virtuellement du 11 au 15 janvier.

Le précédent détenteur du record des quasars dans l'univers infantile a été découvert il y a trois ans. L'équipe de l'UArizona a également contribué à cette découverte. On pense que les quasars résultent de trous noirs supermassifs engloutissant la matière environnante, comme du gaz ou même des étoiles entières, résultant en un maelström de matière surchauffée connu sous le nom de disque d'accrétion qui tourbillonne autour du trou noir. En raison des énormes énergies impliquées, les quasars sont parmi les sources les plus brillantes du cosmos, surpassant souvent leurs galaxies hôtes.

Bien que J0313-1806 ne soit qu'à 20 millions d'années-lumière de plus que le précédent détenteur du record, le nouveau quasar contient un trou noir supermassif deux fois plus lourd. Cela marque une avancée significative pour la cosmologie, car il fournit la contrainte la plus forte à ce jour sur la formation de trous noirs dans l'univers primitif.

"C'est la première preuve de la façon dont un trou noir supermassif affecte sa galaxie hôte qui l'entoure, " a déclaré l'auteur principal du journal, Feige Wang, un Hubble Fellow à l'observatoire Steward de l'UArizona. « À partir d'observations de galaxies moins éloignées, nous savons que cela doit arriver, mais nous n'avons jamais vu cela se produire si tôt dans l'univers."

Des quasars qui ont déjà amassé des millions, sinon des milliards, des masses solaires dans leurs trous noirs à une époque où l'univers était très jeune posent un défi aux scientifiques qui tentent d'expliquer comment ils ont vu le jour alors qu'ils en avaient à peine le temps. Une explication communément acceptée de la formation d'un trou noir implique qu'une étoile explose en supernova à la fin de sa vie et s'effondre dans un trou noir. Lorsque de tels trous noirs fusionnent avec le temps, ils peuvent, en théorie, devenir des trous noirs supermassifs. Cependant, tout comme il faudrait de nombreuses vies pour constituer un fonds de retraite en cotisant un dollar chaque année, les quasars de l'univers primitif sont un peu comme les tout-petits millionnaires; ils doivent avoir acquis leur masse par d'autres moyens.

Le quasar nouvellement découvert fournit une nouvelle référence en écartant deux modèles actuels de la formation de trous noirs supermassifs dans des délais aussi courts. Dans le premier modèle, des étoiles massives constituées en grande partie d'hydrogène et dépourvues de la plupart des autres éléments qui composent les étoiles ultérieures, y compris les métaux, former la première génération d'étoiles dans une jeune galaxie et fournir la nourriture au trou noir naissant. Le deuxième modèle implique des amas d'étoiles denses, qui s'effondrent dans un trou noir massif dès le départ.

Quasar J0313-1806, cependant, possède un trou noir trop massif pour être expliqué par les scénarios susmentionnés, selon l'équipe qui l'a découvert. L'équipe a calculé que si le trou noir en son centre se formait dès 100 millions d'années après le Big Bang et grandissait aussi vite que possible, il aurait quand même dû en avoir au moins 10, 000 masses solaires pour commencer.

"Cela vous dit que quoi que vous fassiez, la graine de ce trou noir doit s'être formée par un mécanisme différent, " a déclaré le co-auteur Xiaohui Fan, Professeur Regents et directeur associé du Département d'astronomie de l'UArizona. "Dans ce cas, celui qui implique de grandes quantités de primordial, de l'hydrogène gazeux froid s'effondrant directement dans un trou noir de graine."

Parce que ce mécanisme ne nécessite pas d'étoiles à part entière comme matière première, c'est le seul qui permettrait au trou noir supermassif du quasar J0313-1806 d'atteindre 1,6 milliard de masses solaires à un moment aussi précoce de l'univers. C'est ce qui rend le nouveau quasar record si précieux, Fan a expliqué.

"Une fois que vous passez à des redshifts inférieurs, tous les modèles pourraient expliquer l'existence de ces quasars moins lointains et moins massifs, " a-t-il dit. " Pour que le trou noir ait atteint la taille que nous voyons avec J0313-1806, il aurait dû commencer avec un trou noir de graine d'au moins 10, 000 masses solaires, et cela ne serait possible que dans le scénario d'effondrement direct."

Le quasar nouvellement découvert semble offrir un rare aperçu de la vie d'une galaxie à l'aube de l'univers alors que de nombreux processus de formation des galaxies qui ont depuis ralenti ou cessé dans des galaxies qui existent depuis bien plus longtemps étaient toujours en plein essor. .

Selon les modèles actuels d'évolution des galaxies, Les trous noirs supermassifs qui se développent en leur centre pourraient être la principale raison pour laquelle les galaxies cessent finalement de fabriquer de nouvelles étoiles. Agissant comme un chalumeau aux proportions cosmiques, les quasars font exploser férocement leur environnement, balayant efficacement leur galaxie hôte d'une grande partie du gaz froid qui sert de matière première à la formation des étoiles.

"Nous pensons que ces trous noirs supermassifs sont la raison pour laquelle de nombreuses grandes galaxies ont cessé de former des étoiles à un moment donné, " a déclaré Fan. "Nous observons cette 'extinction' à des décalages vers le rouge inférieurs, mais jusqu'à maintenant, nous ne savions pas à quel point ce processus avait commencé dans l'histoire de l'univers. Ce quasar est la première preuve que l'extinction a pu se produire très tôt. »

En mesurant la luminosité du quasar, L'équipe de Wang a calculé que le trou noir supermassif en son centre ingère l'équivalent en masse de 25 soleils chaque année, en moyenne, qui est considéré comme la principale raison de son vent de plasma chaud à grande vitesse soufflant dans la galaxie qui l'entoure à une vitesse relativiste. En comparaison, le trou noir au centre de la Voie lactée est devenu en grande partie dormant.

Et tandis que la Voie lactée forme des étoiles au rythme tranquille d'environ une masse solaire chaque année, J0313-1806 produit 200 masses solaires au cours de la même période.

"C'est un taux de formation d'étoiles relativement élevé, similaire à celui observé dans d'autres quasars du même âge, et cela nous dit que la galaxie hôte grandit très vite, " a dit Wang.

"Ces quasars sont vraisemblablement toujours en train de construire leurs trous noirs supermassifs", a ajouté Fan. "Heures supplémentaires, la sortie du quasar chauffe et pousse tout le gaz hors de la galaxie, et puis le trou noir n'a plus rien à manger et cessera de grandir. C'est une preuve de la croissance de ces premières galaxies massives et de leurs quasars."

Les chercheurs s'attendent à trouver quelques autres quasars de la même période, y compris de nouveaux records potentiels, dit Jinyi Yang, le deuxième auteur du rapport, qui est Peter A. Strittmatter Fellow à l'Observatoire Steward. Yang et Fan observaient au télescope Magellan Baade de 6,5 mètres à l'observatoire de Las Campanas au Chili la nuit J0313-1806 a été découvert.

"Notre enquête sur les quasars couvre un champ très large, nous permettant de scruter près de la moitié du ciel, ", a déclaré Yang. "Nous avons sélectionné plus de candidats sur lesquels nous ferons un suivi avec des observations plus détaillées."

Les chercheurs espèrent en découvrir plus sur les secrets du quasar avec de futures observations, en particulier avec le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est actuellement prévu en 2021.

"Avec les télescopes au sol, nous ne pouvons voir qu'une source ponctuelle, " a déclaré Wang. " Les observations futures pourraient permettre de résoudre le quasar plus en détail, montrer la structure de son écoulement et jusqu'où le vent s'étend dans sa galaxie, et cela nous donnerait une bien meilleure idée de son stade évolutif."