Presque toutes les galaxies abritent un monstre en son centre, un trou noir supermassif, des millions à des milliards de fois la taille du Soleil. Bien qu'il y ait encore beaucoup à apprendre sur ces objets, de nombreux scientifiques pensent qu'ils sont essentiels à la formation et à la structure des galaxies. Quoi de plus, certains de ces trous noirs sont particulièrement actifs, fouetter des étoiles, la poussière et le gaz en disques d'accrétion rougeoyants émettant un rayonnement puissant dans le cosmos alors qu'ils consomment de la matière autour d'eux. Ces quasars sont parmi les objets les plus éloignés que les astronomes puissent voir, et il y a maintenant un nouveau record pour le plus éloigné jamais observé.

Une équipe de scientifiques, dirigé par l'ancien chercheur postdoctoral de l'UC Santa Barbara Feige Wang et comprenant le professeur Joe Hennawi et le postdoctorant actuel Riccardo Nanni, a annoncé la découverte de J0313-1806, le quasar le plus éloigné découvert à ce jour. Vu tel qu'il serait apparu il y a plus de 13 milliards d'années, ce quasar lointain entièrement formé est aussi le plus ancien encore découvert, fournissant aux astronomes un aperçu de la formation de galaxies massives dans l'univers primitif. Les résultats de l'équipe ont été publiés lors de la réunion de janvier 2021 de l'American Astronomical Society et publiés dans Lettres de revues astrophysiques .

Les quasars sont les objets les plus énergétiques de l'univers. Ils se produisent lorsque le gaz dans le disque d'accrétion surchauffé autour d'un trou noir supermassif est inexorablement attiré vers l'intérieur, rejet d'énergie à travers le spectre électromagnétique. Cela libère d'énormes quantités de rayonnement électromagnétique, avec les exemples les plus massifs éclipsant facilement des galaxies entières.

Le Quasar J0313-1806 se trouve à 13 milliards d'années-lumière, et existait à peine 690 millions d'années après le Big Bang. Il est alimenté par le premier trou noir supermassif connu, lequel, malgré sa formation précoce, pèse toujours plus de 1,6 milliard de fois la masse du Soleil. En effet, J0313-1806 surpasse la Voie lactée moderne d'un facteur de 1, 000.

"Les quasars les plus éloignés sont cruciaux pour comprendre comment les premiers trous noirs se sont formés et pour comprendre la réionisation cosmique - la dernière transition de phase majeure de notre univers, " a déclaré le co-auteur Xiaohui Fan, professeur d'astronomie à l'Université de l'Arizona.

La présence d'un trou noir aussi massif si tôt dans l'histoire de l'univers remet en question les théories de la formation des trous noirs. En tant qu'auteur principal Wang, maintenant membre de la NASA Hubble à l'Université de l'Arizona, explique :"Les trous noirs créés par les toutes premières étoiles massives n'auraient pas pu devenir aussi gros en seulement quelques centaines de millions d'années."

L'équipe a détecté pour la première fois J0313-1806 après avoir passé au peigne fin les données de relevés numériques du ciel sur de grandes surfaces. Un spectre de haute qualité obtenu à l'observatoire W. M. Keck a été crucial pour la caractérisation du nouveau quasar :« Grâce aux observatoires de l'Université de Californie, nous avons un accès privilégié aux télescopes Keck au sommet du Mauna Kea, ce qui nous a permis d'obtenir des données de haute qualité sur cet objet peu de temps après qu'il ait été confirmé qu'il s'agissait d'un quasar sur d'autres télescopes, " a déclaré Hennawi.

En plus de peser le trou noir monstre, les observations de l'observatoire Keck ont ​​découvert un écoulement exceptionnellement rapide émanant du quasar sous la forme d'un vent à grande vitesse se déplaçant à 20% de la vitesse de la lumière. "L'énergie libérée par un écoulement à une vitesse aussi élevée est suffisamment importante pour avoir un impact sur la formation d'étoiles dans l'ensemble de la galaxie hôte du quasar, " dit Jinyi Yang, de l'Observatoire Steward de l'Université de l'Arizona.

La galaxie primitive abritant le quasar subit une vague de formation d'étoiles, produisant de nouvelles étoiles 200 fois plus vite que la Voie lactée moderne. Le système est le premier exemple connu d'un quasar sculptant la croissance de sa galaxie hôte. La combinaison de cette intense formation d'étoiles, le quasar lumineux et l'écoulement à grande vitesse font de J0313-1806 et de sa galaxie hôte un laboratoire naturel prometteur pour comprendre la croissance des trous noirs supermassifs et de leurs galaxies hôtes dans l'univers primitif.

"Ce serait une excellente cible pour étudier la formation des premiers trous noirs supermassifs, " a conclu Wang. " Nous espérons également en savoir plus sur l'effet des sorties de quasar sur leur galaxie hôte, ainsi que sur la façon dont les galaxies les plus massives se sont formées dans l'univers primitif. "

Trouver ces quasars lointains demande un travail incroyablement minutieux, car ils sont comme des aiguilles dans une botte de foin. Les astronomes exploitent des images numériques de milliards d'objets célestes afin de trouver des candidats quasars prometteurs. "Le taux de réussite actuel pour trouver ces objets est d'environ 1%. Il faut embrasser beaucoup de grenouilles avant de trouver son prince, " remarqua Hennawi.

Hennawi, Wang et Nanni développent des outils d'apprentissage automatique pour analyser ces mégadonnées et rendre le processus de recherche de quasars distants plus efficace. « Dans les années à venir, le satellite Euclid de l'Agence spatiale européenne et le télescope spatial James Webb de la NASA nous permettront de trouver peut-être une centaine de quasars à cette distance, ou plus loin, " a déclaré Hennawi. "Avec un large échantillon statistique de ces objets, nous serons en mesure de construire une chronologie précise de l'époque de la réionisation ainsi que de faire la lumière sur la façon dont ces trous noirs massifs se sont formés."