Des astronomes de l’Université de l’Arizona ont identifié un filament galactique de 3 millions d’années-lumière datant des débuts de l’univers grâce au télescope spatial James Webb. L’étude a également porté sur huit quasars et leur influence sur la formation d’étoiles, ce qui permet de mieux comprendre l’assemblage et la croissance des trous noirs supermassifs. (Concept d’artiste du web cosmique.)
Un chapelet de galaxies alignées dans l’univers primitif révèle des indices – et des questions – sur l’architecture fondamentale de l’univers.
Grâce au télescope spatial James Webb de la NASA, une équipe de scientifiques dirigée par des astronomes de l’université de l’Arizona a découvert un arrangement filiforme de 10 galaxies qui existaient seulement 830 millions d’années après le Big Bang.
Alignée comme des perles sur un fil invisible, cette structure de 3 millions d’années-lumière est ancrée par un quasar lumineux – une galaxie dont le cœur est un trou noir supermassif actif. L’équipe pense que le filament évoluera finalement en un amas massif de galaxies, à l’instar de l’amas de Coma, bien connu dans l’univers « proche ». Les résultats sont publiés dans deux articles de la revue The Astrophysical Journal Letters.
« Il s’agit de l’une des premières structures filamentaires que l’on ait jamais trouvée associée à un quasar lointain », a déclaré Feige Wang, professeur adjoint de recherche à l’Observatoire Steward de l’Université d’Arizona et auteur principal du premier article. Wang ajoute que c’est la première fois qu’une structure de ce type est observée aussi tôt dans l’univers et en 3D.
Ce champ de galaxies profond, pris par la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb, montre un arrangement de 10 galaxies lointaines marquées par huit cercles blancs dans une ligne diagonale, semblable à un filament (deux cercles contiennent plus d’une galaxie). (Ce filament de 3 millions d’années-lumière est ancré par un quasar très lointain et très lumineux – une galaxie dont le cœur est un trou noir supermassif actif. Le quasar, appelé J0305-3150, apparaît au milieu de l’amas de trois cercles à droite de l’image. Sa luminosité dépasse celle de sa galaxie hôte. Les 10 galaxies marquées existaient seulement 830 millions d’années après le big bang. L’équipe pense que le filament évoluera finalement en un amas massif de galaxies. Crédit : NASA, ESA, CSA, Feige Wang (Université de l’Arizona), Traitement de l’image : Joseph DePasquale (STScI)
Les galaxies ne sont pas dispersées au hasard dans l’univers. Elles se rassemblent non seulement en amas et en touffes, mais forment également de vastes structures filamentaires interconnectées, séparées par de gigantesques vides stériles. Cette « toile cosmique », d’abord ténue, est devenue plus distincte au fil du temps, au fur et à mesure que la gravité rapprochait la matière.
Nichées dans de vastes « océans » de matière noire, les galaxies se forment là où la matière noire et la matière ordinaire s’accumulent dans des zones localisées plus denses que leur environnement. Comme les crêtes des vagues dans l’océan, les galaxies se déplacent sur des cordes continues de matière noire appelées filaments, a expliqué Xiaohui Fan, professeur d’astronomie à Steward et co-auteur des deux publications. Le filament récemment découvert marque la première fois qu’une telle structure a été observée à une époque où le cosmos n’avait que 6 % de son âge actuel.
« J’ai été surpris par la longueur et l’étroitesse de ce filament », a déclaré Fan. « Je m’attendais à trouver quelque chose, mais je ne m’attendais pas à une structure aussi longue et aussi fine.
Cette découverte a été faite dans le cadre du projet ASPIRE, une vaste collaboration internationale dirigée par des chercheurs de l’UArizona, dont Wang est le chercheur principal. L’objectif principal du projet ASPIRE – qui signifie A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era – est d’étudier les environnements cosmiques des premiers trous noirs. Le programme observera 25 quasars qui existaient dans le premier milliard d’années après le Big Bang, une période connue sous le nom d’époque de réionisation.
(Cliquez sur l’image pour voir l’infographie complète.) Il y a plus de 13 milliards d’années, pendant l’ère de la réionisation, l’univers était très différent. Le gaz entre les galaxies était largement opaque à la lumière énergétique, ce qui rendait difficile l’observation des jeunes galaxies. Qu’est-ce qui a permis à l’univers de devenir complètement ionisé, ou transparent, pour finalement aboutir aux conditions « claires » détectées dans une grande partie de l’univers aujourd’hui ? Le télescope spatial James Webb scrutera l’espace en profondeur pour recueillir davantage d’informations sur les objets qui existaient pendant l’ère de réionisation, afin de nous aider à comprendre cette transition majeure dans l’histoire de l’univers. Crédit : NASA, ESA, et J. Kang (STScI)
« Les deux dernières décennies de recherche en cosmologie nous ont permis de bien comprendre comment la toile cosmique se forme et évolue », a déclaré Joseph Hennawi, membre de l’équipe, de l’Université de Californie à Santa Barbara. « ASPIRE vise à comprendre comment intégrer l’émergence des premiers trous noirs massifs dans notre histoire actuelle de la formation des structures cosmiques ».
Les vents du changement
Une autre partie de l’étude porte sur les propriétés de huit quasars dans l’univers jeune. L’équipe a confirmé que leurs trous noirs centraux, qui existaient moins d’un milliard d’années après le Big Bang, ont une masse comprise entre 600 millions et 2 milliards de fois la masse du soleil. Les astronomes continuent à chercher des preuves pour expliquer comment ces trous noirs ont pu grossir si vite.
Pour que ces trous noirs supermassifs se forment en si peu de temps, deux critères doivent être remplis, a déclaré Wang.
« Premièrement, il faut commencer à croître à partir d’un trou noir massif de type « graine » », a-t-il expliqué. « Deuxièmement, même si cette graine commence avec une masse équivalente à un millier de soleils, elle doit accréter un million de fois plus de matière à la vitesse maximale possible en un temps relativement court, parce que nos observations l’ont surprise à un moment où elle était encore très jeune.
Les quasars – illustrés ici par un artiste – sont parmi les objets les plus brillants de l’univers. L’énergie libérée par le trou noir supermassif du quasar lorsqu’il dévore la masse de son environnement est largement considérée comme le principal facteur limitant la croissance des galaxies massives. Crédit : STScI
« Ces observations sans précédent fournissent des indices importants sur la façon dont les trous noirs sont assemblés. Nous avons appris que ces trous noirs sont situés dans de jeunes galaxies massives qui fournissent le réservoir de carburant nécessaire à leur croissance », a déclaré Jinyi Yang, professeur adjoint de recherche à Steward, qui dirige l’étude des trous noirs avec ASPIRE et qui est le premier auteur de la deuxième publication.
Le télescope spatial James Webb a également fourni la meilleure preuve à ce jour de la façon dont les premiers trous noirs supermassifs régulent potentiellement la formation d’étoiles dans leurs galaxies. Si les trous noirs supermassifs accrètent la matière, ils peuvent également générer d’énormes flux de matière. Ces « vents » peuvent s’étendre bien au-delà du trou noir lui-même, à l’échelle de la galaxie, et peuvent avoir un impact significatif sur la formation des étoiles. Les étoiles se forment lorsque le gaz et la poussière s’effondrent en nuages de plus en plus denses, ce qui exige que le gaz soit très froid. Les vents violents des trous noirs émettant de grandes quantités d’énergie peuvent perturber ce processus et ainsi empêcher la formation d’étoiles dans la galaxie hôte, a expliqué M. Yang.
« De tels vents ont été observés dans l’univers proche, mais n’ont jamais été observés directement aussi tôt dans l’univers, à l’époque de la réionisation », a déclaré M. Yang. « L’échelle du vent est liée à la structure du quasar. Dans les observations de Webb, nous constatons que ces vents s’étendent à toute une galaxie et influencent son évolution. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Le télescope Webb de la NASA éclaire les premiers fils de la toile cosmique.
Références :
« A SPectroscopic Survey of Biased Halos in the Reionization Era (ASPIRE) : JWST Reveals a Filamentary Structure around a z = 6.61 Quasar » par Feige Wang, Jinyi Yang, Joseph F. Hennawi, Xiaohui Fan, Fengwu Sun, Jaclyn B. Champagne, Tiago Costa, Melanie Habouzit, Ryan Endsley, Zihao Li, Xiaojing Lin, Romain A. Meyer, Jan-Torge Schindler, Yunjing Wu, Eduardo Bañados, Aaron J. Barth, Aklant K. Bhowmick, Rebekka Bieri, Laura Blecha, Sarah Bosman, Zheng Cai, Luis Colina, Thomas Connor, Frederick B. Davies, Roberto Decarli, Gisella De Rosa, Alyssa B. Drake, Eiichi Egami, Anna-Christina Eilers, Analis E. Evans, Emanuele Paolo Farina, Zoltan Haiman, Linhua Jiang, Xiangyu Jin, Hyunsung D. Jun, Koki Kakiichi, Yana Khusanova, Girish Kulkarni, Mingyu Li, Weizhe Liu, Federica Loiacono, Alessandro Lupi, Chiara Mazzucchelli, Masafusa Onoue, Maria A. Pudoka, Sofía Rojas-Ruiz, Yue Shen, Michael A. Strauss, Wei Leong Tee, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Bram Venemans, Marta Volonteri, Fabian Walter, Zhang-Liang Xie, Minghao Yue, Haowen Zhang, Huanian Zhang et Siwei Zou, 29 juin 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI : 10.3847/2041-8213/accd6f
« A SPectroscopic Survey of Biased Halos in the Reionization Era (ASPIRE) : A First Look at the Rest-frame Optical Spectra of z > ; 6.5 Quasars Using JWST » par Jinyi Yang, Feige Wang, Xiaohui Fan, Joseph F. Hennawi, Aaron J. Barth, Eduardo Bañados, Fengwu Sun, Weizhe Liu, Zheng Cai, Linhua Jiang, Zihao Li, Masafusa Onoue, Jan-Torge Schindler, Yue Shen, Yunjing Wu, Aklant K. Bhowmick, Rebekka Bieri, Laura Blecha, Sarah Bosman, Jaclyn B. Champagne, Luis Colina, Thomas Connor, Tiago Costa, Frederick B. Davies, Roberto Decarli, Gisella De Rosa, Alyssa B. Drake, Eiichi Egami, Anna-Christina Eilers, Analis E. Evans, Emanuele Paolo Farina, Melanie Habouzit, Zoltan Haiman, Xiangyu Jin, Hyunsung D. Jun, Koki Kakiichi, Yana Khusanova, Girish Kulkarni, Federica Loiacono, Alessandro Lupi, Chiara Mazzucchelli, Zhiwei Pan, Sofía Rojas-Ruiz, Michael A. Strauss, Wei Leong Tee, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Bram Venemans, Marianne Vestergaard, Marta Volonteri, Fabian Walter, Zhang-Liang Xie, Minghao Yue, Haowen Zhang, Huanian Zhang et Siwei Zou, 29 juin 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI : 10.3847/2041-8213/acc9c8