En analysant les images du télescope spatial James Webb (JWST), un groupe d'astronomes dirigé par le Dr Lukas Furtak et le professeur Adi Zitrin de l'Université Ben Gourion du Néguev a détecté un trou noir supermassif extrêmement rouge et à lentille gravitationnelle dans l'univers primitif. . Ses couleurs suggèrent que le trou noir se cache derrière un épais voile de poussière obscurcissant une grande partie de sa lumière. L'équipe a réussi à mesurer la masse du trou noir et a découvert qu'il était nettement plus massif, comparé à sa galaxie hôte, que ce qui a été observé dans des exemples plus locaux.

La découverte est publiée dans Nature .

Le JWST, lancé il y a deux ans, a révolutionné notre vision de la formation précoce des galaxies. Cela a conduit à la détection de galaxies très anciennes, en plus grande abondance et avec une plus grande luminosité que prévu précédemment, et a révélé de nouveaux types d'objets.

Le groupe d'astronomes avait détecté dans les images JWST ce qui semblait être un objet semblable à une lentille, semblable à un quasar, provenant de l'univers primitif. Les quasars sont de brillants noyaux galactiques actifs :des trous noirs supermassifs au centre des galaxies qui accumulent activement de la matière.

L’accrétion de matière sur le trou noir émet de grandes quantités de rayonnement qui éclipsent la galaxie hôte, conduisant à une apparence compacte et brillante, semblable à celle d’une étoile. Les images JWST dans lesquelles Furtak et Zitrin ont identifié l'objet ont été prises pour le programme UNCOVER, qui a photographié le champ d'un amas de galaxies, Abell 2744, à une profondeur sans précédent.

Étant donné que l’amas contient de grandes quantités de masse, il plie l’espace-temps – ou les chemins des rayons lumineux voyageant à proximité – créant ainsi une lentille gravitationnelle. La lentille gravitationnelle agrandit les galaxies d'arrière-plan situées derrière elle et permet aux astronomes d'observer des galaxies encore plus éloignées que ce qui serait autrement possible.

"Nous étions très enthousiastes lorsque JWST a commencé à envoyer ses premières données. Nous scannions les données arrivées pour le programme UNCOVER et trois objets très compacts mais à floraison rouge se démarquaient et attiraient notre attention", explique le Dr Lukas Furtak, chercheur postdoctoral. chercheur à BGU et auteur principal des articles de découverte. "Leur apparence de "point rouge" nous a immédiatement amené à soupçonner qu'il s'agissait d'un objet de type quasar."

Furtak et le groupe UNCOVER ont commencé à enquêter sur l'objet. "Nous avons utilisé un modèle de lentille numérique que nous avions construit pour l'amas de galaxies afin de déterminer que les trois points rouges devaient être des images multiples de la même source d'arrière-plan, observée lorsque l'univers n'avait que 700 millions d'années", explique le professeur Zitrin. , astronome à BGU et l'un des principaux auteurs des articles de découverte.

"L'analyse des couleurs de l'objet a indiqué qu'il ne s'agissait pas d'une galaxie typique de formation d'étoiles. Cela conforte l'hypothèse d'un trou noir supermassif", explique le professeur Rachel Bezanson, de l'Université de Pittsburgh et co-responsable du programme UNCOVER. "Avec sa taille compacte, il est devenu évident qu'il s'agissait probablement d'un trou noir supermassif, même s'il était encore différent des autres quasars découverts à cette époque", a ajouté le professeur Bezanson. La découverte de cet objet particulièrement rouge et compact a été publiée l'année dernière dans l'Astrophysical Journal. . Mais ce n'était que le début de l'histoire.

L'équipe a ensuite acquis les données JWST/NIRSpec des trois images du « point rouge » et analysé les données. "Les spectres étaient tout simplement époustouflants", déclare le professeur Ivo Labbé, de l'Université de technologie de Swinburne et co-responsable du programme UNCOVER. "En combinant le signal des trois images avec le grossissement de la lentille, le spectre résultant est équivalent à environ 1 700 heures d'observation par JWST sur un objet sans lentille, ce qui en fait le spectre le plus profond que JWST ait obtenu pour un seul objet dans l'univers primitif. "

"En utilisant les spectres, nous avons réussi non seulement à confirmer que l'objet compact rouge était un trou noir supermassif et à mesurer son redshift exact, mais également à obtenir une estimation solide de sa masse à partir de la largeur de ses raies d'émission", explique l'auteur principal, le Dr. Furtak. "Le gaz orbite dans le champ gravitationnel du trou noir et atteint des vitesses très élevées qui ne sont pas observées dans d'autres parties des galaxies. En raison du décalage Doppler, la lumière émise par le matériau en accrétion est décalée vers le rouge d'un côté et vers le bleu. de l'autre côté, en fonction de sa vitesse. Cela provoque un élargissement des raies d'émission dans le spectre."

Mais la mesure a conduit à une autre surprise :la masse du trou noir semble excessivement élevée par rapport à la masse de la galaxie hôte.

"Toute la lumière de cette galaxie doit tenir dans une petite région de la taille d'un amas d'étoiles actuel. Le grossissement par lentille gravitationnelle de la source nous a donné des limites exquises sur la taille. Même en regroupant toutes les étoiles possibles dans une si petite région, le trou noir finit par représenter au moins 1 % de la masse totale du système", déclare le professeur Jenny Greene de l'Université de Princeton et l'un des principaux auteurs de l'article récent.

"En fait, il a été découvert que plusieurs autres trous noirs supermassifs de l'univers primitif présentent un comportement similaire, ce qui conduit à des vues intrigantes sur la croissance des trous noirs et des galaxies hôtes, ainsi que sur l'interaction entre eux, qui n'est pas bien comprise."

Les astronomes ne savent pas si ces trous noirs supermassifs se développent, par exemple, à partir de restes stellaires, ou peut-être à partir de matériaux qui se sont directement effondrés en trous noirs dans l'univers primitif.

"D'une certaine manière, c'est l'équivalent astrophysique du problème de la poule et de l'œuf", explique le professeur Zitrin. "Nous ne savons pas actuellement ce qui est apparu en premier :la galaxie ou le trou noir, quelle était la taille des premiers trous noirs et comment ils se sont développés."

Étant donné que de nombreux autres « petits points rouges » et autres noyaux galactiques actifs ont récemment été détectés avec JWST, nous espérons que nous aurons bientôt une meilleure idée.

Plus d'informations : Lukas J. Furtak et al, Un rapport de masse trou noir/hôte élevé dans un AGN à lentille dans l'Univers primitif, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07184-8

Fourni par l'Université Ben Gourion du Néguev