Un quasar est le noyau extrêmement brillant d’une galaxie qui héberge en son centre un trou noir supermassif actif. Lorsque le trou noir attire les gaz et la poussière environnants, il émet une énorme quantité d’énergie, faisant des quasars l’un des objets les plus brillants de l’univers. Des quasars ont été observés quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, et la façon dont ces objets ont pu devenir si brillants et massifs en si peu de temps cosmique reste un mystère.
Les scientifiques ont proposé que les premiers quasars soient issus de régions trop denses de matière primordiale, ce qui aurait également produit de nombreuses galaxies plus petites dans l’environnement des quasars. Mais dans une nouvelle étude menée par le MIT, les astronomes ont observé d’anciens quasars qui semblent étonnamment seuls dans l’univers primitif.
Les astronomes ont utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA pour remonter le temps, plus de 13 milliards d’années, afin d’étudier l’environnement cosmique de cinq quasars anciens connus. Ils ont découvert une variété surprenante dans leurs quartiers, ou « champs de quasars ». Alors que certains quasars résident dans des champs très peuplés avec plus de 50 galaxies voisines, comme le prédisent tous les modèles, les quasars restants semblent dériver dans le vide, avec seulement quelques galaxies errantes à proximité.
Ces quasars solitaires remettent en question la compréhension des physiciens quant à la manière dont de tels objets lumineux auraient pu se former si tôt dans l’univers, sans une source significative de matière environnante pour alimenter la croissance de leurs trous noirs.
Il est possible que ces quasars ne soient pas aussi solitaires qu’ils le paraissent, mais soient plutôt entourés de galaxies fortement enveloppées de poussière et donc cachées à la vue. Eilers et ses collègues espèrent affiner leurs observations pour essayer de voir à travers une telle poussière cosmique, afin de comprendre comment les quasars sont devenus si gros, si rapidement, dans l’univers primitif.
Eilers et ses collègues rapportent leurs conclusions dans un article paru aujourd’hui dans le Journal d’astrophysique. Les co-auteurs du MIT incluent les postdoctorants Rohan Naidu et Minghao Yue ; Robert Simcoe, professeur de physique Francis Friedman et directeur de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT ; et des collaborateurs d’institutions telles que l’Université de Leiden, l’Université de Californie à Santa Barbara, l’ETH Zurich et ailleurs.
Voisins galactiques
Les cinq quasars nouvellement observés comptent parmi les plus anciens quasars observés à ce jour. Âgés de plus de 13 milliards d’années, ces objets se seraient formés entre 600 et 700 millions d’années après le Big Bang. Les trous noirs supermassifs qui alimentent les quasars sont un milliard de fois plus massifs que le Soleil et plus de mille milliards de fois plus lumineux. En raison de leur extrême luminosité, la lumière de chaque quasar est capable de voyager à travers l’âge de l’univers, suffisamment loin pour atteindre aujourd’hui les détecteurs hautement sensibles du JWST.
“C’est tout simplement phénoménal que nous disposions désormais d’un télescope capable de capturer avec autant de détails la lumière d’il y a 13 milliards d’années”, déclare Eilers. “Pour la première fois, JWST nous a permis d’observer l’environnement de ces quasars, l’endroit où ils ont grandi et à quoi ressemblait leur quartier.”
L’équipe a analysé les images des cinq quasars anciens prises par JWST entre août 2022 et juin 2023. Les observations de chaque quasar comprenaient plusieurs images « mosaïques », ou vues partielles du champ du quasar, que l’équipe a efficacement assemblées pour produire une image complète. du voisinage environnant de chaque quasar.
Le télescope a également pris des mesures de lumière dans plusieurs longueurs d’onde dans le champ de chaque quasar, que l’équipe a ensuite traitées pour déterminer si un objet donné dans le champ était la lumière d’une galaxie voisine et à quelle distance se trouve une galaxie du quasar central beaucoup plus lumineux.
“Nous avons constaté que la seule différence entre ces cinq quasars réside dans le fait que leurs environnements sont très différents”, explique Eilers. “Par exemple, un quasar est entouré de près de 50 galaxies, tandis qu’un autre n’en a que deux. Et les deux quasars ont la même taille, le même volume, la même luminosité et la même durée que l’univers. C’était vraiment surprenant à voir.”
Poussées de croissance
La disparité des champs des quasars introduit une distorsion dans l’image standard de la croissance des trous noirs et de la formation des galaxies. Selon la meilleure compréhension que les physiciens ont de la manière dont les premiers objets de l’univers ont émergé, un réseau cosmique de matière noire aurait dû fixer le cap. La matière noire est une forme de matière encore inconnue qui n’a d’autres interactions avec son environnement que par la gravité.
Peu de temps après le Big Bang, on pense que l’univers primitif a formé des filaments de matière noire qui agissaient comme une sorte de route gravitationnelle, attirant les gaz et la poussière le long de ses vrilles. Dans les régions trop denses de cette toile, la matière se serait accumulée pour former des objets plus massifs. Et les premiers objets les plus brillants et les plus massifs, tels que les quasars, se seraient formés dans les régions les plus denses du Web, ce qui aurait également produit beaucoup plus de galaxies plus petites.
“Le réseau cosmique de matière noire est une prédiction solide de notre modèle cosmologique de l’Univers, et il peut être décrit en détail à l’aide de simulations numériques”, explique Elia Pizzati, étudiant diplômé de l’Université de Leiden, co-auteur de l’étude. “En comparant nos observations à ces simulations, nous pouvons déterminer où se trouvent les quasars dans la toile cosmique.”
Les scientifiques estiment que les quasars auraient dû croître continuellement avec des taux d’accrétion très élevés pour atteindre la masse et les luminosités extrêmes au moment où les astronomes les ont observés, moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
“La principale question à laquelle nous essayons de répondre est la suivante : comment ces trous noirs d’un milliard de masse solaire se forment-ils à une époque où l’univers est encore très, très jeune ? Il en est encore à ses balbutiements”, explique Eilers.
Les conclusions de l’équipe pourraient soulever plus de questions que de réponses. Les quasars « solitaires » semblent vivre dans des régions relativement vides de l’espace. Si les modèles cosmologiques des physiciens sont corrects, ces régions stériles signifient très peu de matière noire ou de matière première pour la création d’étoiles et de galaxies. Alors, comment sont nés les quasars extrêmement brillants et massifs ?
“Nos résultats montrent qu’il manque encore une pièce importante du puzzle concernant la croissance de ces trous noirs supermassifs”, explique Eilers. “S’il n’y a pas assez de matière pour que certains quasars puissent croître continuellement, cela signifie qu’il doit y avoir un autre moyen de croissance, que nous n’avons pas encore trouvé.”
Cette recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche.
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