L’étude CEERS du télescope spatial James Webb a mis en évidence le trou noir supermassif actif le plus éloigné jamais découvert, existant un peu plus de 570 millions d’années après le Big Bang. Il a également découvert deux autres petits trous noirs et près d’une douzaine de galaxies extrêmement éloignées. Ces découvertes remettent en question les hypothèses antérieures concernant la prévalence de trous noirs et de galaxies moins massifs dans l’univers primitif.
Sommaire
Grâce à Webb, une série d’autres trous noirs lointains et de galaxies primitives ont également été observés pour la première fois.
C’est une mine d’or ! L’univers regorge de trous noirs. Les chercheurs le savent depuis longtemps, mais les trous noirs moins massifs qui existaient dans l’univers primitif étaient trop peu visibles pour être détectés, jusqu’à ce que le télescope spatial James Webb commence à effectuer des observations. Les chercheurs de l’étude CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) sont parmi les premiers à commencer à extraire ces objets brillants et extrêmement éloignés des images et des données très détaillées du télescope Webb.
Tout d’abord : Le trou noir supermassif actif le plus éloigné jamais découvert, un peu plus de 570 millions d’années après le Big Bang. Il est plus petit, plus proche de la masse du trou noir supermassif au centre de notre galaxie, la Voie lactée, que des « monstres » extrêmement grands que nous avons déjà aperçus à l’aide d’autres télescopes. Les chercheurs du CEERS ont également identifié deux autres petits trous noirs dans l’univers primitif, ainsi qu’une dizaine de galaxies extrêmement éloignées. Ces premiers résultats suggèrent que les trous noirs et les galaxies moins massifs pourraient avoir été plus fréquents dans l’univers primitif que ce qui avait été prouvé jusqu’à présent.
Ce graphique montre les détections des trous noirs supermassifs actifs les plus éloignés actuellement connus dans l’univers. Ils ont été identifiés par divers télescopes, tant dans l’espace qu’au sol. Trois d’entre eux ont été récemment identifiés dans le cadre de l’étude CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) du télescope spatial James Webb. Le trou noir le plus éloigné est CEERS 1019, qui existait un peu plus de 570 millions d’années après le Big Bang. CEERS 746 a été détecté 1 milliard d’années après le Big Bang. La troisième place revient actuellement à CEERS 2782, qui a existé 1,1 milliard d’années après le Big Bang. Crédit : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Steve Finkelstein (UT Austin)
Le télescope spatial Webb détecte le trou noir supermassif actif le plus éloigné à ce jour
Des chercheurs ont découvert le trou noir supermassif actif le plus éloigné à ce jour grâce au télescope spatial James Webb. La galaxie, CEERS 1019, existait un peu plus de 570 millions d’années après le Big Bang, et son trou noir est moins massif que tous les autres identifiés à ce jour dans l’univers primitif. De plus, les chercheurs ont facilement « secoué » deux autres trous noirs, également plus petits, qui existaient respectivement 1 et 1,1 milliard d’années après le Big Bang. Webb a également identifié onze galaxies qui existaient lorsque l’univers était âgé de 470 à 675 millions d’années. Ces preuves ont été fournies par l’étude CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) de Webb, dirigée par Steven Finkelstein de l’université du Texas à Austin. Ce programme combine les images très détaillées de Webb dans l’infrarouge proche et moyen et des données connues sous le nom de spectres, qui ont toutes été utilisées pour faire ces découvertes.
Prêt à explorer les données ? Trouvez le pic blanc juste après 4,7 microns. Il représente l’hydrogène. Les données de Webb sont adaptées à deux modèles, car plus d’une source est responsable de la forme des données. Le modèle large du bas, représenté en jaune, correspond à du gaz plus rapide tourbillonnant dans le disque d’accrétion actif du trou noir. Le modèle violet avec un pic élevé correspond au gaz plus lent dans la galaxie – il s’agit de l’émission des étoiles en cours de formation. Crédit : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Steve Finkelstein (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin), Pablo Arrabal Haro (NSF’s NOIRLab)
CEERS 1019 n’est pas seulement remarquable par l’ancienneté de son existence, mais aussi par le poids relativement faible de son trou noir. Ce trou noir pèse environ 9 millions de masses solaires, soit beaucoup moins que d’autres trous noirs qui ont également existé dans l’univers primitif et qui ont été détectés par d’autres télescopes. Ces mastodontes contiennent généralement plus d’un milliard de fois la masse du Soleil, et ils sont plus faciles à détecter parce qu’ils sont beaucoup plus lumineux. (Ils « mangent » activement de la matière, qui s’illumine en tourbillonnant vers le trou noir).
Le trou noir de CEERS 1019 ressemble davantage au trou noir situé au centre de notre galaxie, la Voie lactée, dont la masse est 4,6 millions de fois supérieure à celle du Soleil. Ce trou noir n’est pas non plus aussi brillant que les trous noirs plus massifs détectés précédemment. Bien que plus petit, ce trou noir a existé tellement tôt qu’il est encore difficile d’expliquer comment il s’est formé si peu de temps après le début de l’univers. Les chercheurs savent depuis longtemps que des trous noirs plus petits ont dû exister plus tôt dans l’univers, mais ce n’est que lorsque Webb a commencé ses observations qu’ils ont pu les détecter avec certitude. (CEERS 1019 ne détiendra peut-être ce record que pendant quelques semaines – les affirmations concernant d’autres trous noirs plus lointains identifiés par Webb sont actuellement examinées avec soin par la communauté astronomique).
Dix observations dans le proche infrarouge réalisées par la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) à bord du télescope spatial James Webb ont été assemblées pour créer cette mosaïque, connue sous le nom de Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey (étude de l’évolution cosmique en amont). Ces observations se situent dans la même région que celle étudiée par le télescope spatial Hubble, connue sous le nom de bande de Groth étendue. Crédit : NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin), Alyssa Pagan (STScI)
Les données de Webb regorgent d’informations précises qui facilitent l’obtention de ces confirmations. « Regarder cet objet lointain avec ce télescope ressemble beaucoup à regarder les données des trous noirs qui existent dans les galaxies proches de la nôtre », a déclaré Rebecca Larson de l’Université du Texas à Austin, qui a dirigé cette découverte. « Il y a tellement de lignes spectrales à analyser ! L’équipe a non seulement pu démêler les émissions du spectre qui proviennent du trou noir et celles qui proviennent de sa galaxie hôte, mais elle a également pu déterminer la quantité de gaz ingérée par le trou noir et le taux de formation d’étoiles de sa galaxie.
L’équipe a constaté que cette galaxie ingère autant de gaz qu’elle le peut tout en produisant de nouvelles étoiles. Ils se sont tournés vers les images pour en explorer les raisons. Visuellement, CEERS 1019 se présente sous la forme de trois amas brillants, et non d’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, de 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.
Les chercheurs qui utilisent les données et les images du télescope spatial James Webb ont déjà capturé deux des plus petits trous noirs supermassifs connus dans l’univers primitif. Les signatures indéniables des distances par rapport à leurs galaxies hôtes sont présentes dans chaque spectre ci-dessus : Trois raies apparaissent dans le même ordre : une raie d’hydrogène suivie de deux raies d’oxygène ionisé. L’emplacement de ces raies révèle le décalage vers le rouge des deux cibles, indiquant aux chercheurs depuis combien de temps leur lumière a été émise.
Le premier spectre prouve que le trou noir CEERS 2782 n’existait que 1,1 milliard d’années après le big bang, et qu’il a émis sa lumière il y a 12,7 milliards d’années. Les données de Webb montrent également qu’il est dépourvu de poussière. Le second, CEERS 746, a existé un peu plus tôt, 1 milliard d’années après le big bang, mais son disque d’accrétion brillant est encore partiellement obscurci par la poussière. « Le trou noir central est visible, mais la présence de poussière suggère qu’il pourrait se trouver dans une galaxie qui produit furieusement des étoiles », a ajouté M. Kocevski.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Steve Finkelstein (UT Austin), Dale Kocevski (Colby College), Pablo Arrabal Haro (NSF’s NOIRLab)
D’autres trous noirs et galaxies extrêmement éloignés entrent en scène
L’étude CEERS est vaste et il reste encore beaucoup à explorer. Dale Kocevski, membre de l’équipe du Colby College à Waterville, dans le Maine, et l’équipe ont rapidement repéré une autre paire de petits trous noirs dans les données. Le premier, situé dans la galaxie CEERS 2782, était le plus facile à repérer. Aucune poussière n’obscurcissant la vue de Webb, les chercheurs ont pu immédiatement déterminer à quel moment de l’histoire de l’univers son trou noir existait, soit seulement 1,1 milliard d’années après le Big Bang. 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 composé de gaz et de poussière qui entoure son trou noir supermassif, est encore partiellement obscurci par la 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, ces deux trous noirs sont également des « poids légers », du moins si on les compare aux trous noirs supermassifs 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 ajouté M. Kocevski. « Nous pensons maintenant que les trous noirs de faible masse pourraient se trouver un peu partout, attendant d’être découverts. Avant l’arrivée de Webb, 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.
Une équipe chargée d’étudier les données de l’étude CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) du satellite Webb a déjà identifié sept galaxies qui existaient lorsque l’univers n’était âgé que de 540 à 660 millions d’années. Quelques-unes des preuves sont présentées ci-dessus : Trois raies apparaissent dans le même ordre – une raie d’hydrogène suivie de deux raies d’oxygène ionisé dans chaque spectre. L’emplacement de ces raies révèle le décalage vers le rouge de chaque galaxie, ce qui indique aux chercheurs depuis combien de temps leur lumière a été émise. CEERS 24 et CEERS 23 ont émis leur lumière il y a 13,3 milliards d’années, et CEERS 3 a émis sa lumière il y a 13,2 milliards d’années.
Webb a non seulement été le premier à fournir des images de ces galaxies, mais aussi des données précises et très détaillées, connues sous le nom de spectres, qui révèlent leur composition. « Certaines de ces galaxies n’avaient pas été détectées dans les champs profonds précédents, comme les images pionnières du télescope spatial Hubble », explique Seiji Fujimoto, le chercheur du CEERS qui a dirigé ces découvertes et qui est basé à l’université du Texas à Austin. « Cette série de galaxies, ainsi que d’autres galaxies lointaines que nous identifierons à l’avenir, pourraient modifier notre compréhension de la formation des étoiles et de l’évolution des galaxies au cours de l’histoire cosmique.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Steve Finkelstein (UT Austin), Seiji Fujimoto (UT Austin), Pablo Arrabal Haro (NSF’s NOIRLab)
Les spectres sensibles de Webb ont également permis à ces chercheurs de mesurer des distances précises et donc l’âge des galaxies dans l’univers primitif. Pablo Arrabal Haro, du NOIRLab de la NSF, et Seiji Fujimoto, de l’Université du Texas à Austin, membres de l’équipe, ont identifié 11 galaxies qui existaient 470 à 675 millions d’années après le Big Bang. Non seulement ces galaxies sont extrêmement éloignées, mais le fait qu’un si grand nombre de galaxies brillantes aient été détectées est remarquable. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que le télescope Webb détecterait moins de galaxies que celles trouvées 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.
Ces galaxies forment rapidement des étoiles, mais ne sont pas encore aussi chimiquement enrichies que les galaxies beaucoup plus proches. « Webb a été le premier à détecter certaines de ces galaxies », explique Fujimoto. « Ces galaxies, 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.
Il ne s’agit là que des premières découvertes révolutionnaires de l’étude 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 là l’énorme puissance de ce télescope ». À l’avenir, il est possible que les données de Webb soient également utilisées pour expliquer la formation des premiers trous noirs, ce qui permettrait de réviser les modèles des chercheurs concernant la croissance et l’évolution des trous noirs au cours des premières centaines de millions d’années de l’histoire de l’univers.
Plusieurs articles sur les données de l’étude CEERS ont été acceptés par The Astrophysical Journal Letters : « A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang : Identifying a Progenitor of Massive z > ; 6 Quasars », dirigé par 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.
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire de sciences spatiales au monde. Le télescope Webb 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’Agence spatiale canadienne.