Les quasars sont très lumineux, des trous noirs supermassifs distants et actifs qui sont des millions à des milliards de fois la masse du Soleil. Généralement situé au centre des galaxies, ils se nourrissent de matière en chute libre et déchaînent de fantastiques torrents de radiations. Parmi les objets les plus brillants de l'univers, la lumière d'un quasar surpasse celle de toutes les étoiles combinées de sa galaxie hôte, et ses jets et ses vents façonnent la galaxie dans laquelle il réside.

Peu de temps après son lancement plus tard cette année, une équipe de scientifiques entraînera le télescope spatial James Webb de la NASA sur six des quasars les plus lointains et les plus lumineux. Ils étudieront les propriétés de ces quasars et de leurs galaxies hôtes, et comment ils étaient interconnectés au cours des premières étapes de l'évolution des galaxies dans le tout premier univers. L'équipe utilisera également les quasars pour examiner le gaz dans l'espace entre les galaxies, en particulier pendant la période de réionisation cosmique, qui a pris fin lorsque l'univers était très jeune. Ils y parviendront en utilisant l'extrême sensibilité de Webb aux faibles niveaux de lumière et sa superbe résolution angulaire.

Webb :Visiter l'univers jeune

Alors que Webb scrute profondément l'univers, il regardera en fait dans le temps. La lumière de ces quasars lointains a commencé son voyage vers Webb lorsque l'univers était très jeune, et a mis des milliards d'années à arriver. Nous verrons les choses telles qu'elles étaient il y a longtemps, pas comme ils sont aujourd'hui.

"Tous ces quasars que nous étudions existaient très tôt, quand l'univers avait moins de 800 millions d'années, ou moins de 6 pour cent de son âge actuel. Ces observations nous donnent donc l'opportunité d'étudier l'évolution des galaxies et la formation et l'évolution des trous noirs supermassifs à ces temps très anciens, " a expliqué Santiago Arribas, membre de l'équipe, professeur-chercheur au Département d'Astrophysique du Centre d'Astrobiologie de Madrid, Espagne. Arribas est également membre de l'équipe scientifique des instruments du spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) de Webb.

La lumière de ces objets très éloignés a été étirée par l'expansion de l'espace. C'est ce qu'on appelle le redshift cosmologique. Plus la lumière doit voyager loin, plus il est décalé vers le rouge. En réalité, la lumière visible émise au début de l'univers est tellement étirée qu'elle est décalée vers l'infrarouge lorsqu'elle nous parvient. Avec sa suite d'instruments à réglage infrarouge, Webb est particulièrement bien adapté à l'étude de ce type de lumière.

Étudier les quasars, leurs galaxies hôtes et leurs environnements, et leurs puissantes sorties

Les quasars que l'équipe étudiera ne sont pas seulement parmi les plus éloignés de l'univers, mais aussi parmi les plus brillants. Ces quasars ont généralement les masses de trous noirs les plus élevées, et ils ont également les taux d'accrétion les plus élevés - les taux auxquels les matériaux tombent dans les trous noirs.

"Nous sommes intéressés par l'observation des quasars les plus lumineux car la très grande quantité d'énergie qu'ils génèrent dans leur noyau devrait entraîner le plus grand impact sur la galaxie hôte par des mécanismes tels que la sortie et le chauffage des quasars, " a déclaré Chris Willott, chercheur au Centre de recherche Herzberg en astronomie et astrophysique du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) à Victoria, Colombie britannique. Willott est également le scientifique du projet Webb de l'Agence spatiale canadienne. "Nous voulons observer ces quasars au moment où ils ont le plus grand impact sur leurs galaxies hôtes."

Une énorme quantité d'énergie est libérée lorsque la matière est accrété par le trou noir supermassif. Cette énergie chauffe et pousse le gaz environnant vers l'extérieur, générant de forts flux sortants qui déchirent l'espace interstellaire comme un tsunami, faire des ravages dans la galaxie hôte.

Les flux sortants jouent un rôle important dans l'évolution des galaxies. Le gaz alimente la formation des étoiles, Ainsi, lorsque le gaz est retiré en raison des sorties, le taux de formation d'étoiles diminue. Dans certains cas, les flux sortants sont si puissants et expulsent de telles quantités de gaz qu'ils peuvent complètement arrêter la formation d'étoiles dans la galaxie hôte. Les scientifiques pensent également que les écoulements sont le principal mécanisme par lequel le gaz, la poussière et les éléments sont redistribués sur de grandes distances à l'intérieur de la galaxie ou peuvent même être expulsés dans l'espace entre les galaxies, le milieu intergalactique. Cela peut provoquer des changements fondamentaux dans les propriétés de la galaxie hôte et du milieu intergalactique.

Examen des propriétés de l'espace intergalactique pendant l'ère de la réionisation

Il y a plus de 13 milliards d'années, quand l'univers était très jeune, la vue était loin d'être dégagée. Le gaz neutre entre les galaxies a rendu l'univers opaque à certains types de lumière. Sur des centaines de millions d'années, le gaz neutre du milieu intergalactique s'est chargé ou ionisé, le rendant transparent à la lumière ultraviolette. Cette période est appelée l'ère de la réionisation. Mais qu'est-ce qui a conduit à la réionisation qui a créé les conditions « claires » détectées dans une grande partie de l'univers aujourd'hui ? Webb scrutera profondément dans l'espace pour recueillir plus d'informations sur cette transition majeure dans l'histoire de l'univers. Les observations nous aideront à comprendre l'ère de la réionisation, qui est l'une des frontières clés de l'astrophysique.

L'équipe utilisera des quasars comme sources lumineuses de fond pour étudier le gaz entre nous et le quasar. Ce gaz absorbe la lumière du quasar à des longueurs d'onde spécifiques. Grâce à une technique appelée spectroscopie d'imagerie, ils rechercheront des raies d'absorption dans le gaz intermédiaire. Plus le quasar est brillant, plus ces caractéristiques de raie d'absorption seront fortes dans le spectre. En déterminant si le gaz est neutre ou ionisé, les scientifiques apprendront à quel point l'univers est neutre et quelle part de ce processus de réionisation s'est produite à ce moment précis.

« Si vous voulez étudier l'univers, vous avez besoin de sources d'arrière-plan très lumineuses. Un quasar est l'objet parfait dans l'univers lointain, car il est suffisamment lumineux pour qu'on le voit très bien, " a déclaré Camilla Pacifici, membre de l'équipe, qui est affilié à l'Agence spatiale canadienne, mais travaille comme instrumentiste au Space Telescope Science Institute de Baltimore. "Nous voulons étudier l'univers primitif parce que l'univers évolue, et nous voulons savoir comment cela a commencé."

L'équipe analysera la lumière provenant des quasars avec NIRSpec pour rechercher ce que les astronomes appellent « les métaux, " qui sont des éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. Ces éléments se sont formés dans les premières étoiles et les premières galaxies et expulsés par les écoulements. Le gaz sort des galaxies dans lesquelles il se trouvait à l'origine et dans le milieu intergalactique. L'équipe prévoit de mesurer la génération de ces premiers "métaux, " ainsi que la façon dont ils sont poussés dans le milieu intergalactique par ces premières sorties.

La puissance de Webb

Webb est un télescope extrêmement sensible capable de détecter de très faibles niveaux de lumière. C'est important, car même si les quasars sont intrinsèquement très brillants, ceux que cette équipe va observer sont parmi les objets les plus éloignés de l'univers. En réalité, ils sont si éloignés que les signaux que Webb recevra sont très, très lent. Ce n'est qu'avec la sensibilité exquise de Webb que cette science peut être accomplie. Webb offre également une excellente résolution angulaire, permettant de démêler la lumière du quasar de sa galaxie hôte.

Les programmes de quasars décrits ici sont des observations en temps garanti impliquant les capacités spectroscopiques de NIRSpec.