Grâce au télescope spatial James Webb, des astronomes ont découvert un des premiers éléments de la toile cosmique de l’univers, qui existe seulement 830 millions d’années après le big bang. L’étude a également porté sur huit quasars de l’univers jeune et a révélé des informations importantes sur l’assemblage et l’influence des trous noirs supermassifs sur la formation des étoiles. (Concept d’artiste du web cosmique.)
Sommaire
Un filament de 10 galaxies observé seulement 830 millions d’années après la naissance de l’univers.
Notre univers est tissé d’une structure de galaxies semblable à une toile, appelée « toile cosmique ». Les galaxies sont enfilées le long de filaments dans cette vaste toile, qui contient également d’énormes vides. Aujourd’hui, des astronomes utilisant le télescope Webb ont découvert un des premiers fils de cette structure, un filament long et étroit de 10 galaxies qui existait seulement 830 millions d’années après le big bang. Cette structure, longue de 3 millions d’années-lumière, est ancrée par un quasar lumineux, une galaxie dont le cœur est occupé par un trou noir supermassif actif. L’équipe pense que ce premier fil de la toile cosmique évoluera par la suite en un amas massif de galaxies.
La même étude examine également les propriétés de huit quasars dans l’univers jeune. Les scientifiques ont déterminé que les trous noirs centraux des galaxies, qui existaient moins d’un milliard d’années après le big bang, ont une masse comprise entre 600 millions et 2 milliards de fois celle de notre soleil. Ils cherchent encore à expliquer comment ces trous noirs ont pu grossir si vite.
Cette image du champ de galaxies de la 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 fil. (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)
Le télescope spatial Webb identifie les premiers fils de la toile cosmique
Les galaxies ne sont pas dispersées au hasard dans l’univers. Elles se rassemblent non seulement en amas, mais aussi en vastes structures filamentaires interconnectées, avec de gigantesques vides stériles entre les deux. 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.
Des astronomes utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA ont découvert un arrangement filamentaire de 10 galaxies qui existait seulement 830 millions d’années après le big bang. 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 du célèbre amas de Coma dans l’univers proche.
« J’ai été surpris par la longueur et l’étroitesse de ce filament », a déclaré Xiaohui Fan, membre de l’équipe de l’Université de l’Arizona à Tucson. « Je m’attendais à trouver quelque chose, mais je ne m’attendais pas à une structure aussi longue et aussi fine.
« Il s’agit de l’une des premières structures filamentaires que l’on ait jamais trouvée associée à un quasar lointain », a ajouté Feige Wang de l’Université de l’Arizona à Tucson, le chercheur principal de ce programme.
(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)
Cette découverte est issue du projet ASPIRE (A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era), dont l’objectif principal est d’étudier les environnements cosmiques des premiers trous noirs. Au total, le programme observera 25 quasars qui existaient dans les premiers milliards d’années après le big bang, une période connue sous le nom d’époque de réionisation.
« Les deux dernières décennies de recherche en cosmologie nous ont permis de bien comprendre comment la toile cosmique se forme et évolue. ASPIRE vise à comprendre comment intégrer l’émergence des premiers trous noirs massifs dans notre histoire actuelle de la formation de la structure cosmique », explique Joseph Hennawi, de l’Université de Californie à Santa Barbara, membre de l’équipe.
Cette image compas montre un champ de galaxies profond imagé par la NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb pour le programme ASPIRE. Le champ comprend un quasar, appelé J0305-3150, dont la luminosité dépasse celle de sa galaxie hôte. En bas à droite, les flèches du compas indiquent l’orientation de l’image sur le ciel. Sous l’image, une clé de couleurs indique quels filtres NIRCam ont été utilisés pour créer l’image et quelle couleur de lumière visible est attribuée à chaque filtre. Crédit : NASA, ESA, CSA, Feige Wang (Université de l’Arizona), Traitement de l’image : Joseph DePasquale (STScI)
Des monstres en pleine croissance
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 de notre soleil. Les astronomes continuent à chercher des preuves pour expliquer comment ces trous noirs ont pu grossir si vite.
« Pour former ces trous noirs supermassifs en si peu de temps, deux critères doivent être remplis. Tout d’abord, la croissance doit commencer à partir d’un trou noir massif de type « graine ». Deuxièmement, même si cette graine commence avec une masse équivalente à un millier de soleils, elle doit encore accréter un million de fois plus de matière à la vitesse maximale possible pendant toute sa durée de vie », a expliqué Wang.
Il s’agit d’un concept d’artiste d’une galaxie avec un quasar brillant en son centre. Un quasar est un trou noir supermassif très brillant, distant et actif, dont la masse est des millions à des milliards de fois supérieure à celle du Soleil. Parmi les objets les plus brillants de l’univers, la lumière d’un quasar éclipse celle de toutes les étoiles de sa galaxie hôte réunies. Crédit : NASA, ESA et J. Olmsted (STScI)
« Ces observations sans précédent fournissent des indices importants sur la façon dont les trous noirs s’assemblent. 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 de l’Université de l’Arizona, qui dirige l’étude des trous noirs avec ASPIRE.
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 de 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 vents violents des trous noirs peuvent empêcher la formation d’étoiles dans la galaxie hôte. De tels vents ont été observés dans l’univers proche mais n’ont jamais été observés directement 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 de tels vents existaient dans l’univers primitif ».
Ces résultats ont été publiés dans deux articles de The Astrophysical Journal Letters le 29 juin.
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
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Il permettra de résoudre les mystères de notre système solaire, d’observer les mondes lointains autour d’autres étoiles et de sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par la NASA et ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’ASC (Agence spatiale canadienne).