Webb détecte le trou noir supermassif actif le plus éloigné à ce jour

C’est une aubaine : l’univers regorge absolument de trous noirs. Les chercheurs le savent depuis longtemps, mais les trous noirs moins massifs qui existaient dans l’univers primitif étaient trop sombres pour être détectés, jusqu’à ce que le télescope spatial James Webb commence à faire des observations. Les chercheurs à l’origine de l’enquête Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) sont parmi les premiers à commencer à extraire ces objets brillants et extrêmement éloignés des images et des données très détaillées de 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 semblable à la masse du trou noir supermassif au centre de notre galaxie de la Voie lactée qu’aux « monstres » extrêmement grands que nous avons aperçus auparavant avec d’autres télescopes.

Les chercheurs du CEERS ont également identifié deux autres petits trous noirs dans l’univers primitif, ainsi que près d’une douzaine de galaxies extrêmement éloignées. Ces découvertes initiales suggèrent que des trous noirs et des galaxies moins massifs auraient pu être plus courants dans l’univers primitif qu’il n’a été prouvé auparavant.

Les chercheurs ont découvert le trou noir supermassif actif le plus éloigné à ce jour avec le 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 tout autre encore identifié dans l’univers primitif. De plus, ils ont facilement « ébranlé » deux autres trous noirs qui sont également plus petits et qui existaient 1 et 1,1 milliard d’années après le big bang.

Webb a également identifié onze galaxies qui existaient lorsque l’univers avait entre 470 et 675 millions d’années. La preuve a été fournie par l’enquête Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) de Webb, dirigée par Steven Finkelstein de l’Université du Texas à Austin. Le programme combine les images très détaillées dans le proche et moyen infrarouge de Webb et les données connues sous le nom de spectres, qui ont toutes été utilisées pour faire ces découvertes.

CEERS 1019 n’est pas seulement remarquable par son ancienneté, mais aussi par le poids relativement faible de son trou noir. Ce trou noir se situe à environ 9 millions de masses solaires, bien moins que les autres trous noirs qui existaient également 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 car ils sont beaucoup plus brillants. (Ils « mangent » activement de la matière, qui s’illumine lorsqu’elle tourbillonne vers le trou noir.)

Le trou noir du CEERS 1019 ressemble davantage au trou noir au centre de notre galaxie, la Voie lactée, qui représente 4,6 millions de fois la masse du soleil. Ce trou noir n’est pas non plus aussi brillant que les mastodontes plus massifs précédemment détectés. Bien que plus petit, ce trou noir existait tellement plus 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 doivent avoir existé plus tôt dans l’univers, mais ce n’est que lorsque Webb a commencé à observer qu’ils étaient capables de faire des détections définitives. (CEERS 1019 ne peut détenir ce record que pendant quelques semaines – les affirmations concernant d’autres trous noirs plus éloignés identifiés par Webb sont actuellement soigneusement examinées par la communauté astronomique.)

Les données de Webb regorgent pratiquement d’informations précises qui rendent ces confirmations si faciles à extraire des données. « Regarder cet objet lointain avec ce télescope, c’est un peu comme 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 raies spectrales à analyser ! »

Non seulement l’équipe pourrait démêler quelles émissions dans le spectre proviennent du trou noir et lesquelles proviennent de sa galaxie hôte, mais elle pourrait également déterminer la quantité de gaz que le trou noir ingère et déterminer le taux de formation d’étoiles de sa galaxie.

L’équipe a découvert que cette galaxie ingère autant de gaz que possible tout en produisant de nouvelles étoiles. Ils se sont tournés vers les images pour explorer pourquoi cela pourrait être. Visuellement, CEERS 1019 apparaît sous la forme de trois touffes lumineuses, et non d’un seul disque circulaire. « Nous n’avons pas l’habitude de voir autant de structure dans les images à ces distances », a déclaré Jeyhan Kartaltepe, membre de l’équipe CEERS du Rochester Institute of Technology à New York.

« Une fusion de galaxies pourrait être en partie responsable de l’alimentation de l’activité dans le trou noir de cette galaxie, et cela pourrait également conduire à une augmentation de la formation d’étoiles. »

Plus de trous noirs extrêmement lointains, les galaxies entrent en scène

L’enquête CEERS est vaste et il y a beaucoup plus à explorer. Le membre de l’équipe Dale Kocevski 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, dans la galaxie CEERS 2782, était le plus facile à repérer. Aucune poussière n’obscurcissant la vision de Webb, les chercheurs ont pu déterminer immédiatement quand son trou noir existait dans l’histoire de l’univers, seulement 1,1 milliard d’années après le big bang.

Le deuxième 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 encercle 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 dans une galaxie qui pompe aussi furieusement des étoiles », a expliqué Kocevski.

Comme celui du CEERS 1019, ces deux trous noirs sont également des « poids légers » – du moins par rapport aux trous noirs supermassifs connus précédemment 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 masse inférieure dans l’univers primitif. Webb est le premier observatoire capable de les capturer aussi clairement », a ajouté Kocevski. « Maintenant, nous pensons que les trous noirs de masse inférieure pourraient être partout, attendant d’être découverts. »

Avant Webb, les trois trous noirs étaient trop faibles pour être détectés. « Avec d’autres télescopes, ces cibles ressemblent à des galaxies ordinaires formant des étoiles, et non à des trous noirs supermassifs actifs », a ajouté Finkelstein.

Les spectres sensibles de Webb ont également permis à ces chercheurs de mesurer avec précision les distances et donc l’âge des galaxies de l’univers primitif. Les membres de l’équipe Pablo Arrabal Haro du NOIRLab de la NSF et Seiji Fujimoto de l’Université du Texas à Austin ont identifié 11 galaxies qui existaient 470 à 675 millions d’années après le big bang. Non seulement elles sont extrêmement éloignées, mais le fait que tant de galaxies brillantes aient été détectées est remarquable.

Les chercheurs ont émis l’hypothèse que Webb détecterait moins de galaxies que celles trouvées à ces distances. « Je suis submergé par la quantité de spectres très détaillés de galaxies éloignées 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 qui sont beaucoup plus proches de chez elles. « Webb a été le premier à détecter certaines de ces galaxies », a expliqué Fujimoto. « Cet ensemble, ainsi que d’autres galaxies lointaines que nous pourrions identifier à l’avenir, pourraient changer notre compréhension de la formation des étoiles et de l’évolution des galaxies tout au long de l’histoire cosmique », a-t-il ajouté.

Ce ne sont que les premiers résultats révolutionnaires de l’enquête CEERS. « Jusqu’à présent, la recherche sur les objets de l’univers primitif était en grande partie théorique », a déclaré Finkelstein. « Avec Webb, non seulement nous pouvons voir des trous noirs et des galaxies à des distances extrêmes, mais nous pouvons maintenant commencer à les mesurer avec précision. C’est la formidable puissance de ce télescope. »

À l’avenir, il est possible que les données de Webb soient également utilisées pour expliquer comment les premiers trous noirs se sont formés, en révisant les modèles des chercheurs sur 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’enquête CEERS ont été acceptés par le Lettres du journal astrophysique. Ils sont actuellement disponibles sur le arXiv serveur de préimpression.