De minuscules objets brillants découverts à l’aube de l’univers déroutent les scientifiques

Une découverte récente du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA a confirmé que des objets lumineux et très rouges précédemment détectés dans l’univers primitif bouleversent la pensée conventionnelle sur les origines et l’évolution des galaxies et de leurs trous noirs supermassifs.

Une équipe internationale, dirigée par des chercheurs de l’Université Penn State, utilisant l’instrument NIRSpec à bord du JWST dans le cadre de l’étude RUBIES, a identifié trois objets mystérieux dans l’univers primitif, environ 600 à 800 millions d’années après le Big Bang, lorsque l’univers n’avait que 5 % de son âge actuel. Ils ont annoncé la découverte aujourd’hui, le 27 juin, dans Lettres du Journal d’Astrophysique.

L’équipe a étudié les mesures spectrales, c’est-à-dire l’intensité des différentes longueurs d’onde de la lumière émise par les objets. Leur analyse a révélé des signatures d’étoiles « vieilles », vieilles de plusieurs centaines de millions d’années, bien plus vieilles que ce que l’on pourrait attendre d’un univers jeune.

Les chercheurs ont déclaré qu’ils étaient également surpris de découvrir des signatures d’énormes trous noirs supermassifs dans les mêmes objets, estimant qu’ils sont 100 à 1 000 fois plus massifs que le trou noir supermassif de notre propre Voie Lactée. Ni l’un ni l’autre de ces éléments n’est attendu dans les modèles actuels de croissance des galaxies et de formation de trous noirs supermassifs, qui prévoient que les galaxies et leurs trous noirs se développeront ensemble au cours de milliards d’années d’histoire cosmique.

“Nous avons confirmé qu’ils semblent être remplis d’étoiles anciennes – vieilles de plusieurs centaines de millions d’années – dans un univers qui n’a que 600 à 800 millions d’années. Remarquablement, ces objets détiennent le record des premières signatures de la lumière des étoiles anciennes. ” a déclaré Bingjie Wang, chercheur postdoctoral à Penn State et auteur principal de l’article.

“Il était totalement inattendu de trouver de vieilles étoiles dans un univers très jeune. Les modèles standards de cosmologie et de formation de galaxies ont connu un succès incroyable, mais ces objets lumineux ne s’intègrent pas tout à fait confortablement dans ces théories.”

Les chercheurs ont repéré les objets massifs pour la première fois en juillet 2022, lorsque l’ensemble de données initial a été publié par JWST. L’équipe a publié un article dans Nature plusieurs mois plus tard, annonçant l’existence des objets.

À l’époque, les chercheurs soupçonnaient que ces objets étaient des galaxies, mais ont poursuivi leur analyse en prenant des spectres pour mieux comprendre les véritables distances des objets, ainsi que les sources alimentant leur immense lumière.

Les chercheurs ont ensuite utilisé les nouvelles données pour se faire une idée plus précise de l’apparence des galaxies et de ce qu’elles contenaient. L’équipe a non seulement confirmé que les objets étaient effectivement des galaxies proches du début des temps, mais elle a également trouvé des preuves de l’existence de trous noirs supermassifs étonnamment grands et d’une population d’étoiles étonnamment ancienne.

« C’est très déroutant », a déclaré Joel Leja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et co-auteur des deux articles. « On peut arriver à ce que cela s’intègre mal dans notre modèle actuel de l’univers, mais seulement si nous évoquons une formation exotique et incroyablement rapide au début des temps. C’est, sans aucun doute, l’ensemble d’objets le plus particulier et le plus intéressant que j’ai vu dans ma carrière. »

Le JWST est équipé d’instruments de détection infrarouge capables de détecter la lumière émise par les étoiles et les galaxies les plus anciennes. En substance, le télescope permet aux scientifiques de remonter dans le temps jusqu’à environ 13,5 milliards d’années, près du début de l’univers tel que nous le connaissons, a déclaré Leja.

L’un des défis de l’analyse de la lumière ancienne est qu’il peut être difficile de différencier les types d’objets qui auraient pu émettre cette lumière. Dans le cas de ces objets primitifs, ils présentent clairement les caractéristiques des trous noirs supermassifs et des vieilles étoiles.

Cependant, a expliqué Wang, on ne sait pas encore précisément quelle quantité de lumière observée provient de chacune d’elles, ce qui signifie qu’il pourrait s’agir de galaxies primitives, étonnamment vieilles et plus massives encore que notre propre Voie Lactée, se formant bien plus tôt que ne le prédisent les modèles, ou bien il pourrait s’agir de galaxies de masse plus normale avec des trous noirs « surmassifs », environ 100 à 1 000 fois plus massifs qu’une telle galaxie n’en aurait aujourd’hui.

“Il est difficile de faire la distinction entre la lumière provenant d’un matériau tombant dans un trou noir et la lumière émise par les étoiles de ces objets minuscules et distants”, a déclaré Wang. “Cette incapacité à faire la différence dans l’ensemble de données actuel laisse une grande place à l’interprétation de ces objets intrigants. Honnêtement, c’est passionnant d’avoir autant de mystère à résoudre.”

Mis à part leur masse et leur âge inexplicables, si une partie de la lumière provient effectivement de trous noirs supermassifs, alors ce ne sont pas non plus des trous noirs supermassifs normaux. Ils produisent beaucoup plus de photons ultraviolets que prévu, et les objets similaires étudiés avec d’autres instruments n’ont pas les signatures caractéristiques des trous noirs supermassifs, comme la poussière chaude et l’émission de rayons X brillants. Mais la chose la plus surprenante, selon les chercheurs, est peut-être leur ampleur.

“Normalement, les trous noirs supermassifs sont associés à des galaxies”, a déclaré Leja. “Ils grandissent ensemble et vivent ensemble toutes leurs expériences majeures de la vie. Mais ici, nous avons un trou noir adulte entièrement formé vivant à l’intérieur de ce qui devrait être un bébé galaxie. Cela n’a pas vraiment de sens, car ces choses devraient grandir ensemble. , ou du moins c’est ce que nous pensions.”

Les chercheurs ont également été déconcertés par la taille incroyablement petite de ces systèmes, qui ne mesurent que quelques centaines d’années-lumière de diamètre, soit environ 1 000 fois plus petits que notre propre Voie lactée. Les étoiles sont à peu près aussi nombreuses que dans notre propre galaxie, la Voie lactée – avec entre 10 et 1 000 milliards d’étoiles – mais contenues dans un volume 1 000 fois plus petit que la Voie lactée.

Leja a expliqué que si l’on prenait la Voie Lactée et qu’on la compressait à la taille des galaxies qu’ils ont trouvées, l’étoile la plus proche serait presque dans notre système solaire. Le trou noir supermassif au centre de la Voie Lactée, à environ 26 000 années-lumière de la Terre, ne serait qu’à environ 26 années-lumière de la Terre et serait visible dans le ciel sous la forme d’un pilier de lumière géant.

« Ces premières galaxies étaient si denses en étoiles – des étoiles qui ont dû se former d’une manière que nous n’avons jamais vue, dans des conditions que nous n’aurions jamais imaginées à une époque où nous ne nous attendions pas à les voir », a déclaré Leja. « Et pour une raison ou une autre, l’univers a cessé de créer des objets comme ceux-ci après seulement quelques milliards d’années. Ils sont uniques à l’univers primitif. »

Les chercheurs espèrent poursuivre leurs observations, ce qui pourrait aider à résoudre certains mystères de ces objets. Ils prévoient d’obtenir des spectres plus profonds en pointant le télescope vers les objets pendant des périodes prolongées, ce qui aidera à démêler les émissions des étoiles et du potentiel trou noir supermassif en identifiant les signatures d’absorption spécifiques qui seraient présentes dans chacun.

« Il existe une autre façon de réaliser une percée, et c’est exactement la bonne idée », a déclaré Leja. « Nous avons toutes ces pièces du puzzle et elles ne s’assemblent que si nous ignorons le fait que certaines d’entre elles se cassent. Ce problème peut être résolu par un coup de génie qui nous a jusqu’à présent échappé, à tous nos collaborateurs et à l’ensemble de la communauté scientifique. »