Le télescope spatial James Webb a découvert le trou noir supermassif actif le plus éloigné à ce jour, situé dans la galaxie CEERS 1019, qui est moins massif que tout autre trou noir identifié dans l’univers primitif. Ces découvertes, qui comprennent également la détection de deux autres trous noirs plus petits et de onze galaxies de l’univers primitif, pourraient révolutionner notre compréhension de la formation des trous noirs et de l’évolution du cosmos.
Le télescope spatial James Webb a découvert le trou noir supermassif actif le plus éloigné connu à ce jour, situé dans la galaxie CEERS 1019, qui existait environ 570 millions d’années après le Big Bang.
Des chercheurs, utilisant le télescope spatial James Webb (JWST), ont identifié le trou noir supermassif actif le plus éloigné jamais enregistré. Situé dans la galaxie CEERS 1019, ce trou noir était actif environ 570 millions d’années après le Big Bang et est unique en ce sens qu’il est plus petit que tous les autres trous noirs découverts à cette époque précoce de l’univers.
L’étude a permis de découvrir deux autres trous noirs, plus petits que d’habitude, qui ont existé environ 1 milliard et 1,1 milliard d’années après le Big Bang. Le JWST a également identifié onze galaxies datant d’une époque où l’univers avait entre 470 et 675 millions d’années. Ces découvertes ont été rendues possibles grâce à l’étude CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science), dirigée par Steven Finkelstein, professeur d’astronomie à l’université du Texas à Austin. L’étude s’est appuyée sur l’imagerie infrarouge proche et moyen à haute résolution du JWST et sur des données spectrales pour étayer ses conclusions.
« Observer cet objet lointain avec ce télescope, c’est un peu comme regarder les données des trous noirs qui existent dans les galaxies proches de la nôtre », a déclaré Rebecca Larson, récemment diplômée de l’UT Austin, qui a dirigé l’étude. « Il y a tellement de lignes spectrales à analyser !
L’équipe a publié ces résultats dans plusieurs articles initiaux dans une édition spéciale de The Astrophysical Journal Letters.
CEERS 1019 est important non seulement en raison de son ancienneté, mais aussi de la masse relativement faible de son trou noir. Il pèse environ 9 millions de masses solaires, soit nettement moins que d’autres trous noirs de l’univers primitif détectés par d’autres télescopes. Ces autres trous noirs, dont la masse est généralement plus d’un milliard de fois supérieure à celle du soleil, sont plus faciles à repérer en raison de leur luminosité. Le trou noir de CEERS 1019 est plus proche du trou noir situé au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée, dont la masse est 4,6 millions de fois supérieure à celle du soleil.
Sommaire
Une existence et une formation déroutantes
La présence de ce trou noir relativement petit si tôt dans l’histoire de l’univers pose des questions intéressantes sur la façon dont il s’est formé si rapidement après la création de l’univers. Les chercheurs pensent depuis longtemps que des trous noirs plus petits auraient existé dans l’univers primitif, mais aucune preuve solide n’était disponible jusqu’à ce que le JWST commence ses observations.
Sonder le trou noir et sa galaxie
L’équipe de chercheurs a pu déterminer quelles émissions, dans les données spectrales, provenaient du trou noir et quelles émissions provenaient de sa galaxie hôte. Ils ont également pu estimer le taux d’ingestion de gaz par le trou noir et déterminer le taux de formation d’étoiles de sa galaxie.
L’équipe a découvert que cette galaxie consomme du gaz au rythme le plus élevé possible tout en produisant de nouvelles étoiles. Les images révèlent que CEERS 1019 apparaît visuellement comme trois amas brillants plutôt que comme un disque circulaire unique.
« Nous ne sommes pas habitués à voir autant de structure dans les images à ces distances », a déclaré Jeyhan Kartaltepe, membre de l’équipe du CEERS et professeur agrégé d’astronomie à l’Institut de technologie de Rochester, dans l’État de New York. « Une fusion de galaxies pourrait être en partie responsable de l’activité du trou noir de cette galaxie, ce qui pourrait également entraîner une augmentation de la formation d’étoiles.
Une nouvelle ère pour la recherche astronomique
Ces résultats ne sont que les premières percées de l’enquête CEERS.
« Jusqu’à présent, les recherches sur les objets de l’univers primitif étaient essentiellement théoriques », a déclaré M. Finkelstein. « Grâce à Webb, nous pouvons non seulement voir des trous noirs et des galaxies à des distances extrêmes, mais aussi commencer à les mesurer avec précision. C’est l’énorme puissance de ce télescope ».
Les recherches futures pourraient utiliser les données du JWST pour expliquer comment les premiers trous noirs se sont formés, révisant ainsi les modèles actuels de croissance et d’évolution des trous noirs au cours des premières centaines de millions d’années de l’histoire de l’univers.
Le télescope spatial James Webb est un programme international dirigé par la NASA et ses partenaires, l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Agence spatiale canadienne.
D’autres découvertes à l’horizon
La vaste étude du CEERS promet encore bien des découvertes. Dale Kocevski du Colby College à Waterville, Maine, et l’équipe ont rapidement identifié une autre paire de petits trous noirs dans les données. Le premier, dans la galaxie CEERS 2782, était facilement identifiable. Il a été déterminé que son trou noir existait environ 1,1 milliard d’années après le Big Bang, car aucune poussière n’obscurcissait la vue du JWST. Le second trou noir, dans la galaxie CEERS 746, existait un peu plus tôt, 1 milliard d’années après le Big Bang. Son disque d’accrétion brillant, un anneau de gaz et de poussière entourant son trou noir supermassif, est partiellement recouvert de poussière.
« Le trou noir central est visible, mais la présence de poussière suggère qu’il pourrait se trouver au sein d’une galaxie qui produit elle aussi des étoiles en abondance », a expliqué M. Kocevski.
Comme celui de CEERS 1019, les deux autres trous noirs nouvellement décrits (dans les galaxies CEERS 2782 et CEERS 746) sont également des « poids légers », du moins si on les compare aux trous noirs supermassifs précédemment connus à ces distances. Ils ne représentent qu’environ 10 millions de fois la masse du soleil.
« Les chercheurs savent depuis longtemps qu’il doit y avoir des trous noirs de faible masse dans l’univers primitif. Webb est le premier observatoire capable de les capturer aussi clairement », a déclaré M. Kocevski. « Nous pensons maintenant que les trous noirs de faible masse pourraient se trouver un peu partout, attendant d’être découverts.
Avant le JWST, les trois trous noirs étaient trop peu visibles pour être détectés.
« Avec d’autres télescopes, ces cibles ressemblent à des galaxies ordinaires en formation d’étoiles, et non à des trous noirs supermassifs actifs », a ajouté M. Finkelstein.
Mesurer l’univers lointain
La sensibilité de l’analyse spectrale du JWST a permis aux chercheurs de mesurer les distances précises et donc l’âge des galaxies dans l’univers primitif. Les membres de l’équipe Pablo Arrabal Haro, du NOIRLab de la National Science Foundation, et Seiji Fujimoto, chercheur postdoctoral et boursier Hubble à l’UT Austin, ont identifié 11 galaxies qui existaient 470 millions à 675 millions d’années après le Big Bang. Ces galaxies sont non seulement extrêmement éloignées, mais leur luminosité, compte tenu du grand nombre de galaxies détectées, est également remarquable. Cela remet en cause la théorie selon laquelle le JWST détecterait moins de galaxies à ces distances.
« Je suis impressionné par la quantité de spectres très détaillés de galaxies lointaines que Webb a renvoyés », a déclaré Arrabal Haro. « Ces données sont absolument incroyables.
Comprendre l’évolution des galaxies à l’avenir
Ces galaxies forment rapidement des étoiles mais n’ont pas encore accumulé la même complexité chimique que les galaxies plus proches.
« Webb a été le premier à détecter certaines de ces galaxies », explique Fujimoto. « Cet ensemble, ainsi que d’autres galaxies lointaines que nous pourrons identifier à l’avenir, pourraient modifier notre compréhension de la formation des étoiles et de l’évolution des galaxies au cours de l’histoire cosmique », a-t-il ajouté.
Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Webb Detects Most Distant Active Supermassive Black Hole.
L’équipe a publié plusieurs articles initiaux sur les données de l’étude CEERS dans une édition spéciale de The Astrophysical Journal Letters le 6 juillet : « A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang : Identifying a Progenitor of Massive z > ; 6 Quasars », sous la direction de Larson, « Hidden Little Monsters : Identification spectroscopique d’AGN de faible masse et à large ligne à z > ; 5 avec le CEERS », sous la direction de Kocevski, « Confirmation spectroscopique des galaxies sélectionnées par le CEERS NIRCam à z≃8-10 », sous la direction d’Arrabal Haro, et « Confirmation spectroscopique par le CEERS des galaxies candidates sélectionnées par le NIRCam à z ≳ 8 avec le JWST/NIRSpec : Caractérisation initiale de leurs propriétés », sous la direction de Fujimoto.