La conception de cet artiste montre la lumière brillante de deux quasars résidant dans les noyaux de deux galaxies qui sont dans un processus chaotique de fusion. Le bras de fer gravitationnel entre les deux galaxies les étire, formant de longues queues de marée et déclenchant une tempête de feu de naissance d'étoiles. Les quasars sont des balises brillantes de lumière intense provenant des centres de galaxies lointaines. Ils sont alimentés par des trous noirs supermassifs qui se nourrissent voracement de matière en chute libre. Cette frénésie alimentaire déclenche un torrent de radiations qui peuvent éclipser la lumière collective de milliards d'étoiles de la galaxie hôte. En quelques dizaines de millions d'années, les trous noirs et leurs galaxies vont fusionner, et la paire de quasars aussi, formant un trou noir encore plus massif. Une séquence d'événements similaire se produira dans quelques milliards d'années lorsque notre galaxie de la Voie lactée fusionnera avec la galaxie voisine d'Andromède. Crédit :NASA, ESA, et J. Olmsted (STScI)
Le télescope spatial Hubble de la NASA "voit double". En regardant en arrière 10 milliards d'années dans le passé de l'univers, Les astronomes de Hubble ont trouvé une paire de quasars si proches l'un de l'autre qu'ils ressemblent à un seul objet sur des photos télescopiques au sol, mais pas dans la vue nette de Hubble.
Les chercheurs pensent que les quasars sont très proches les uns des autres car ils résident dans les noyaux de deux galaxies en fusion. L'équipe a ensuite remporté le « double quotidien » en trouvant une autre paire de quasars dans un autre duo de galaxies en collision.
Un quasar est un phare brillant de lumière intense provenant du centre d'une galaxie lointaine qui peut éclipser toute la galaxie. Il est alimenté par un trou noir supermassif se nourrissant voracement de matière gonflée, déclenchant un torrent de radiations.
"Nous estimons que dans l'univers lointain, pour chaque 1, 000 quasars, il y a un double quasar. Donc trouver ces doubles quasars, c'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin, ", a déclaré le chercheur principal Yue Shen de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
La découverte de ces quatre quasars offre une nouvelle façon de sonder les collisions entre galaxies et la fusion des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif, disent les chercheurs.
Les quasars sont dispersés dans tout le ciel et étaient les plus abondants il y a 10 milliards d'années. Il y avait beaucoup de fusions de galaxies à l'époque qui alimentaient les trous noirs. Par conséquent, les astronomes pensent qu'il aurait dû y avoir de nombreux quasars doubles pendant cette période.
"C'est vraiment le premier échantillon de quasars doubles à l'époque de pointe de la formation des galaxies avec lequel nous pouvons utiliser pour sonder des idées sur la façon dont les trous noirs supermassifs se réunissent pour finalement former un binaire, " a déclaré Nadia Zakamska, membre de l'équipe de recherche de l'Université Johns Hopkins à Baltimore, Maryland.
Les résultats de l'équipe ont été publiés dans le numéro en ligne du 1er avril de la revue Astronomie de la nature .
Shen et Zakamska sont membres d'une équipe qui utilise Hubble, l'observatoire spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne, et le Sloan Digital Sky Survey, ainsi que plusieurs télescopes au sol, pour compiler un recensement robuste des paires de quasars dans l'univers primitif.
Ces deux images du télescope spatial Hubble révèlent deux paires de quasars qui existaient il y a 10 milliards d'années et résident au cœur de galaxies en fusion. Chacun des quatre quasars réside dans une galaxie hôte. Ces galaxies, cependant, ne peut pas être vu parce qu'ils sont trop faibles, même pour Hubble. Les quasars au sein de chaque paire ne sont que d'environ 10, 000 années-lumière d'intervalle -- le plus proche jamais vu à cette époque cosmique. Les quasars sont des phares brillants de lumière intense provenant des centres de galaxies lointaines qui peuvent éclipser leurs galaxies entières. Ils sont alimentés par des trous noirs supermassifs se nourrissant voracement de matière en chute, déclenchant un torrent de radiations. La paire de quasars dans l'image de gauche est cataloguée comme J0749+2255 et la paire sur la droite comme J0841+4825. Les deux paires de galaxies hôtes habitées par chaque quasar double finiront par fusionner. Les quasars orbiteront alors étroitement les uns autour des autres jusqu'à ce qu'ils finissent par spiraler ensemble et fusionner, résultant en un encore plus massif, mais trou noir solitaire. L'image pour J0749+2255 a été prise le 5 janvier 2020. L'instantané J0841+4825 a été pris le 30 novembre 2019. Les deux images ont été prises en lumière visible avec Wide Field Camera 3. Crédit :NASA, ESA, H. Hwang et N. Zakamska (Université Johns Hopkins), et Y. Shen (Université de l'Illinois, Urbana-Campaign)
Les observations sont importantes car le rôle d'un quasar dans les rencontres galactiques joue un rôle critique dans la formation des galaxies, disent les chercheurs. Alors que deux galaxies proches commencent à se déformer gravitationnellement, leur interaction canalise la matière dans leurs trous noirs respectifs, allumer leurs quasars.
Heures supplémentaires, le rayonnement de ces "ampoules" à haute intensité lance de puissants vents galactiques, qui balaient la majeure partie du gaz des galaxies en fusion. Privé de gaz, la formation d'étoiles cesse, et les galaxies évoluent en galaxies elliptiques.
"Les quasars ont un impact profond sur la formation des galaxies dans l'univers, " a déclaré Zakamska. " Trouver des quasars doubles à cette époque précoce est important car nous pouvons maintenant tester nos idées de longue date sur la façon dont les trous noirs et leurs galaxies hôtes évoluent ensemble. "
Les astronomes ont découvert jusqu'à présent plus de 100 quasars doubles dans des galaxies en fusion. Cependant, aucun d'entre eux n'est aussi vieux que les deux doubles quasars de cette étude.
Les images de Hubble montrent que les quasars au sein de chaque paire ne sont que d'environ 10, 000 années-lumière d'intervalle. Par comparaison, notre Soleil a 26 ans, 000 années-lumière du trou noir supermassif au centre de notre galaxie.
Les paires de galaxies hôtes finiront par fusionner, et alors les quasars aussi fusionneront, résultant en un encore plus massif, seul trou noir solitaire.
Les trouver n'a pas été facile. Hubble est le seul télescope doté d'une vision suffisamment nette pour regarder en arrière dans l'univers primitif et distinguer deux quasars proches qui sont si éloignés de la Terre. Cependant, La résolution nette de Hubble à elle seule n'est pas suffisante pour trouver ces balises lumineuses doubles.
Les astronomes devaient d'abord déterminer où pointer Hubble pour les étudier. Le défi est que le ciel est recouvert d'une tapisserie d'anciens quasars qui ont pris vie il y a 10 milliards d'années, dont seulement une infime fraction est double. Il a fallu une technique imaginative et innovante qui a nécessité l'aide du satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne et du Sloan Digital Sky Survey au sol pour compiler un groupe de candidats potentiels à observer par Hubble.
Situé à l'observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique, le télescope Sloan produit des cartes tridimensionnelles d'objets dans le ciel. L'équipe s'est penchée sur l'enquête Sloan pour identifier les quasars à étudier de plus près.
Les chercheurs ont ensuite fait appel à l'observatoire Gaia pour aider à identifier les candidats potentiels au double quasar. Gaia mesure les positions, distances, et les mouvements des objets célestes proches très précisément. Mais l'équipe a conçu un nouveau, application innovante pour Gaia qui pourrait être utilisée pour explorer l'univers lointain. Ils ont utilisé la base de données de l'observatoire pour rechercher des quasars qui imitent le mouvement apparent des étoiles proches. Les quasars apparaissent comme des objets uniques dans les données Gaia. Cependant, Gaia peut capter un subtil, "secouer" inattendu dans la position apparente de certains des quasars qu'il observe.
Les quasars ne se déplacent pas dans l'espace de manière mesurable, mais au lieu de cela, leur tremblement pourrait être la preuve de fluctuations aléatoires de la lumière, car chaque membre de la paire de quasars varie en luminosité. Les quasars scintillent en luminosité sur des échelles de temps allant du jour au mois, selon le programme d'alimentation de leur trou noir.
Cette luminosité alternée entre la paire de quasars est similaire à la visualisation d'un signal de passage à niveau à distance. Comme les lumières des deux côtés du signal stationnaire clignotent alternativement, le signe donne l'illusion de « secouer ».
Lorsque les quatre premières cibles ont été observées avec Hubble, sa vision nette a révélé que deux des cibles sont deux paires proches de quasars. Les chercheurs ont déclaré que c'était un "moment d'ampoule" qui a vérifié leur plan d'utilisation de Sloan, Gaïa, et Hubble pour chasser l'ancien, insaisissables doubles centrales électriques.
Le membre de l'équipe Xin Liu de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a qualifié la confirmation de Hubble d'"heureuse surprise". Elle a longtemps recherché des quasars doubles plus proches de la Terre en utilisant différentes techniques avec des télescopes au sol. "La nouvelle technique peut non seulement découvrir des quasars doubles beaucoup plus loin, mais c'est beaucoup plus efficace que les méthodes que nous avons utilisées auparavant, " elle a dit.
Leur Astronomie de la nature article est une "preuve de concept qui démontre vraiment que notre recherche ciblée de doubles quasars est très efficace, " a déclaré le membre de l'équipe Hsiang-Chih Hwang, un étudiant diplômé de l'Université Johns Hopkins et le chercheur principal du programme Hubble. "Cela ouvre une nouvelle direction où nous pouvons accumuler des systèmes beaucoup plus intéressants à suivre, ce que les astronomes n'ont pas pu faire avec des techniques ou des ensembles de données antérieurs."
L'équipe a également obtenu des observations de suivi avec les télescopes Gemini de la National Science Foundation NOIRLab. "La spectroscopie spatialement résolue de Gemini peut rejeter sans ambiguïté les intrus en raison de superpositions fortuites de systèmes étoile-quasar non associés, où l'étoile de premier plan est alignée par coïncidence avec le quasar d'arrière-plan, " a déclaré le membre de l'équipe Yu-Ching Chen, un étudiant diplômé de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
Bien que l'équipe soit convaincue de son résultat, ils disent qu'il y a une légère chance que les instantanés Hubble aient capturé des images doubles du même quasar, une illusion causée par la lentille gravitationnelle. Ce phénomène se produit lorsque la gravité d'une galaxie massive de premier plan se divise et amplifie la lumière du quasar d'arrière-plan en deux images miroir. Cependant, les chercheurs pensent que ce scénario est hautement improbable car Hubble n'a détecté aucune galaxie de premier plan à proximité des deux paires de quasars.
Les fusions galactiques étaient plus abondantes il y a des milliards d'années, mais quelques-uns se produisent encore aujourd'hui. Un exemple est NGC 6240, un système proche de galaxies en fusion qui a deux et peut-être même trois trous noirs supermassifs. Une fusion galactique encore plus proche se produira dans quelques milliards d'années lorsque notre galaxie de la Voie lactée entrera en collision avec la galaxie voisine d'Andromède. La lutte galactique alimenterait probablement les trous noirs supermassifs au cœur de chaque galaxie, les enflammer comme des quasars.
Les futurs télescopes pourraient offrir un meilleur aperçu de ces systèmes de fusion. Le télescope spatial James Webb de la NASA, un observatoire infrarouge dont le lancement est prévu plus tard cette année, sondera les galaxies hôtes des quasars. Webb montrera les signatures des fusions galactiques, tels que la distribution de la lumière des étoiles et les longs jets de gaz tirés des galaxies en interaction.
