Les observations du JWST révèlent un quasar mature à l’aube cosmique

Le télescope spatial James Webb a observé une galaxie située à un stade particulièrement jeune de l’univers. En regardant le passé, il est devenu clair que la lumière de la galaxie appelée J1120+0641 a mis presque autant de temps pour atteindre la Terre que l’univers a mis pour se développer jusqu’à nos jours. Il est inexplicable que le trou noir en son centre ait pu peser plus d’un milliard de masses solaires à l’époque, comme l’ont montré des mesures indépendantes. Les résultats sont publiés dans la revue Astronomie naturelle.

Des observations récentes de la matière à proximité immédiate du trou noir étaient censées révéler un mécanisme d’alimentation particulièrement efficace, mais elles n’ont rien trouvé de particulier. Ce résultat est d’autant plus extraordinaire : il pourrait signifier que les astrophysiciens comprennent moins qu’ils ne le pensaient le développement des galaxies. Et pourtant, ils ne sont en aucun cas décevants.

Le premier milliard d’années de l’histoire cosmique pose un défi : les premiers trous noirs connus au centre des galaxies ont des masses étonnamment grandes. Comment sont-ils devenus si massifs, si rapidement ? Les nouvelles observations décrites ici fournissent des preuves solides contre certaines explications proposées, notamment contre un « mode d’alimentation ultra-efficace » pour les premiers trous noirs.

Les limites de la croissance des trous noirs supermassifs

Les étoiles et les galaxies ont énormément changé au cours des 13,8 milliards d’années écoulées, soit la durée de vie de l’univers. Les galaxies sont devenues plus grandes et ont acquis plus de masse, soit en consommant le gaz environnant, soit (occasionnellement) en fusionnant les unes avec les autres. Pendant longtemps, les astronomes ont supposé que les trous noirs supermassifs au centre des galaxies se seraient développés progressivement en même temps que les galaxies elles-mêmes.

Mais la croissance des trous noirs ne peut pas être arbitrairement rapide. La matière tombant sur un trou noir forme un « disque d’accrétion » tourbillonnant, chaud et brillant. Lorsque cela se produit autour d’un trou noir supermassif, le résultat est un noyau galactique actif. Les objets les plus brillants, appelés quasars, comptent parmi les objets astronomiques les plus brillants de tout le cosmos. Mais cette luminosité limite la quantité de matière pouvant tomber sur le trou noir : la lumière exerce une pression qui peut empêcher toute matière supplémentaire de tomber.

Comment les trous noirs sont-ils devenus si massifs et si rapides ?

C’est pourquoi les astronomes ont été surpris lorsqu’au cours des vingt dernières années, les observations de quasars lointains ont révélé de très jeunes trous noirs qui avaient pourtant atteint des masses pouvant atteindre 10 milliards de masses solaires. La lumière met du temps à se déplacer d’un objet lointain jusqu’à nous, donc regarder des objets lointains signifie regarder dans un passé lointain. Nous voyons les quasars connus les plus éloignés tels qu’ils étaient à l’époque connue sous le nom de « l’aube cosmique », moins d’un milliard d’années après le Big Bang, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées.

Expliquer ces premiers trous noirs massifs constitue un défi considérable pour les modèles actuels de l’évolution des galaxies. Se pourrait-il que les premiers trous noirs aient été beaucoup plus efficaces pour accumuler du gaz que leurs homologues modernes ? Ou la présence de poussière pourrait-elle affecter les estimations de masse des quasars d’une manière qui inciterait les chercheurs à surestimer les masses des premiers trous noirs ? Il existe actuellement de nombreuses explications proposées, mais aucune n’est largement acceptée.

Un examen plus approfondi de la croissance précoce des trous noirs

Décider laquelle des explications, le cas échéant, est correcte nécessite une image plus complète des quasars que celle disponible auparavant. Avec l’avènement du télescope spatial JWST, en particulier de son instrument MIRI dans l’infrarouge moyen, la capacité des astronomes à étudier les quasars lointains a fait un pas de géant. Pour mesurer les spectres des quasars lointains, MIRI est 4 000 fois plus sensible que n’importe quel instrument précédent.

Les instruments comme MIRI sont construits par des consortiums internationaux, avec des scientifiques, des ingénieurs et des techniciens travaillant en étroite collaboration. Naturellement, un consortium est très intéressé à tester si son instrument fonctionne aussi bien que prévu.

En échange de la construction de l’instrument, les consortiums se voient généralement accorder un certain temps d’observation. En 2019, des années avant le lancement de JWST, le Consortium européen MIRI a décidé d’utiliser une partie de ce temps pour observer ce qui était alors le quasar connu le plus éloigné, un objet qui porte la désignation J1120+0641.

Observer l’un des premiers trous noirs

L’analyse des observations a été confiée au Dr Sarah Bosman, chercheuse postdoctorale à l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) et membre du consortium européen MIRI. Les contributions de MPIA à l’instrument MIRI comprennent la construction d’un certain nombre de composants internes clés. Bosman a été invité à rejoindre la collaboration MIRI spécifiquement pour apporter son expertise sur la meilleure façon d’utiliser l’instrument pour étudier l’univers primitif, en particulier les premiers trous noirs supermassifs.

Les observations ont été réalisées en janvier 2023, lors du premier cycle d’observations du JWST, et ont duré environ deux heures et demie. Ils constituent la première étude dans l’infrarouge moyen d’un quasar à l’aube cosmique, à peine 770 millions d’années après le Big Bang (redshift z=7). L’information ne provient pas d’une image, mais d’un spectre : la décomposition semblable à un arc-en-ciel de la lumière de l’objet en composants de différentes longueurs d’onde.

Traçage de la poussière et des gaz se déplaçant rapidement

La forme générale du spectre infrarouge moyen (« continuum ») code les propriétés d’un grand tore de poussière qui entoure le disque d’accrétion dans les quasars typiques. Ce tore aide à guider la matière sur le disque d’accrétion, « alimentant » le trou noir.

La mauvaise nouvelle pour ceux dont la solution préférée aux premiers trous noirs massifs réside dans des modes de croissance alternatifs et rapides : le tore, et par extension le mécanisme d’alimentation de ce tout premier quasar, semble être le même que celui de ses homologues plus modernes. La seule différence est celle qu’aucun modèle de croissance rapide des premiers quasars n’avait prédit : une température de la poussière légèrement plus élevée, d’environ une centaine de Kelvin, plus chaude que les 1 300 K trouvés pour la poussière la plus chaude des quasars moins éloignés.

La partie du spectre de longueur d’onde la plus courte, dominée par les émissions du disque d’accrétion lui-même, montre que pour nous, en tant qu’observateurs lointains, la lumière du quasar n’est pas atténuée par une quantité de poussière plus importante que d’habitude. Les arguments selon lesquels nous surestimons peut-être simplement les premières masses des trous noirs en raison de la présence de poussière supplémentaire ne sont pas non plus la solution.

Les premiers quasars sont « incroyablement normaux »

La grande région du quasar, où des amas de gaz gravitent autour du trou noir à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, ce qui permet de déduire la masse du trou noir, ainsi que la densité et l’ionisation de la matière environnante, semble également normale. Par presque toutes les propriétés qui peuvent être déduites du spectre, J1120+0641 n’est pas différent des quasars des époques ultérieures.

“Dans l’ensemble, les nouvelles observations ne font qu’ajouter au mystère : les premiers quasars étaient incroyablement normaux. Quelles que soient les longueurs d’onde dans lesquelles nous les observons, les quasars sont presque identiques à toutes les époques de l’univers”, explique Bosman. Non seulement les trous noirs supermassifs eux-mêmes, mais aussi leurs mécanismes d’alimentation, étaient apparemment déjà complètement « matures » alors que l’Univers n’avait que 5 % de son âge actuel.

En excluant un certain nombre de solutions alternatives, les résultats soutiennent fortement l’idée selon laquelle les trous noirs supermassifs ont commencé avec des masses considérables dès le départ, dans le jargon de l’astronomie : qu’ils sont « primordiaux » ou « ensemencés de grande taille ». Les trous noirs supermassifs ne se sont pas formés à partir des restes des premières étoiles, puis sont devenus massifs très rapidement. Ils doivent s’être formés très tôt avec des masses initiales d’au moins cent mille masses solaires, probablement via l’effondrement de premiers nuages ​​​​de gaz massifs.