Depuis son lancement le 25 décembre 2021, le télescope spatial James Webb (JWST) a pris les images les plus nettes et les plus détaillées de l’univers, surpassant même son prédécesseur, le vénérable télescope spatial Hubble. Mais ce qui est particulièrement excitant, ce sont les types d’observations auxquelles nous pouvons nous attendre, où le JWST utilisera ses capacités avancées pour résoudre certains des mystères cosmologiques les plus pressants. Par exemple, il y a le problème présenté par les trous noirs supermassifs à haut décalage vers le rouge (SMBH) ou les quasars brillants qui existaient au cours du premier milliard d’années de l’Univers.
À ce jour, les astronomes n’ont pas été en mesure de déterminer comment les SMBH auraient pu se former si peu de temps après le Big Bang. Une partie du problème était que, jusqu’à récemment, les étoiles des galaxies hôtes avec des valeurs de décalage vers le rouge de Z>2 (à moins de 10,324 milliards d’années-lumière) étaient insaisissables. Mais grâce au JWST, une équipe internationale d’astronomes a récemment observé pour la première fois des étoiles dans des quasars à Z>6 (à moins de 12,716 milliards d’années-lumière). Leurs observations pourraient enfin permettre aux astronomes d’évaluer les processus des premiers quasars qui ont gouverné la formation et l’évolution des premiers SMBH.
L’équipe était composée d’astronomes de plusieurs instituts, universités et observatoires au Japon, en Chine, en Europe, au Royaume-Uni, aux États-Unis, au Brésil, à Taïwan et en Israël. Les institutions notables incluent les Instituts Kavli, les Instituts Max-Planck, l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) et des observatoires comme l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ), l’Observatoire WM Keck, l’Observatoire Steward, l’Observatoire de Leiden , et d’autres. Leur étude, « First detections of stellar light from quasar host galaxies at z>6 », est en cours de révision pour publication dans la revue La natureet une version de l’article est disponible sur le arXiv serveur de préimpression.
Avant le JWST, les observations de galaxies à décalage vers le rouge élevé étaient limitées par la qualité des données et ne pouvaient pas fournir la fonction d’étalement de points (PSF) de haute qualité nécessaire. Ceci décrit la capacité d’un système optique à obtenir des images à haute résolution et focalisées d’une source ponctuelle de lumière distante. Pour faire la lumière sur les nouvelles observations, Universe Today s’est entretenu avec le chef de projet et auteur principal Xuheng Ding (Kavli PMU) et les co-auteurs Masafusa Onoue (Kavli PMU/Max Planck Institute for Astronomy) et John D. Silverman (Kavli PMU/Université de Tokyo). Comme ils l’ont raconté par e-mail :
« Fondamentalement, pour révéler la galaxie hôte d’un quasar, la décomposition quasar + image hôte doit être effectuée. Le quasar est une source ponctuelle qui n’est pas résolue et peut être décrite par une PSF mise à l’échelle. Habituellement, cette information de PSF provient de la étoiles isolées dans le champ de vision.
« De plus, le JWST a des données de résolution plus élevée et peut observer la longueur d’onde plus rouge par rapport au HST pour permettre cette étude à l’échantillon de décalage vers le rouge plus élevé. Un autre avantage de ce programme est que nous avons proposé d’observer le quasar de luminosité inférieure, ce qui fait la soustraction de images de quasars plus faciles. »
Les quasars qu’ils ont sélectionnés pour leurs recherches étaient J2255 + 0251 et J2236 + 0032, deux quasars de luminosité relativement faible à des décalages vers le rouge de 6,34 et 6,40. Cela correspond à une distance d’environ 13,43657 et 13,5637 milliards d’années-lumière (lorsque la lumière que nous voyons a quitté ces objets), soit 24,876 et 25,11 milliards d’années-lumière aujourd’hui. Ces quasars ont d’abord été identifiés dans le cadre d’une enquête connue sous le nom de Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). Cette enquête a utilisé l’instrument HSC du télescope Subaru pour observer 162 quasars à faible luminosité qui existaient un milliard d’années après le Big Bang.
Ces quasars font maintenant l’objet d’observations de suivi par le programme JWST pour étudier les galaxies à haut redshift et observer les étoiles dans leurs disques pour la première fois. Pour leur étude, l’équipe a examiné les données obtenues par la caméra proche infrarouge JWST (NIRCam), puis a modélisé et soustrait l’éblouissement des quasars eux-mêmes. Ils ont ensuite comparé leurs observations avec des études d’hôtes quasars simulés à haut redshift. L’équipe a noté quelques caractéristiques intéressantes sur ces quasars et leurs SMBH qui les distinguent des autres galaxies primitives.
« Les résultats montrent que les galaxies hôtes de ces deux quasars sont massives et compactes », ont déclaré Ding et ses collègues. « Les positions centrales sont décalées par rapport aux quasars, peut-être en raison d’une atténuation inégale de la poussière ou peuvent indiquer que ces SMBH ne sont pas encore au centre du potentiel gravitationnel. »
Ceci est similaire aux observations récentes de galaxies hôtes quasars z> 6 qui reposaient sur l’Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA). Ces observations ont également noté des décalages dans les premiers quasars entre les SMBH centraux et le gaz, la poussière et les étoiles interstellaires environnants. L’équipe note également que ces décalages peuvent être dus à des asymétries générées par les forces de marée, probablement dues à des interactions entre galaxies ou à l’accrétion agglomérée de gaz froid. L’équipe testera ces hypothèses dans d’autres articles basés sur les données du spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) du JWST de 12 premiers quasars. Comme Ding et ses collègues l’ont dit,
« L’importance de ce premier article met en évidence la formidable puissance de JWST et la preuve que la détection de l’hôte quasar à z> 6 est possible. A terme, notre programme établira les premières mesures de quasar z ~ 6 de la masse stellaire de l’hôte et de la masse SMBH. relation, qui sera utilisée pour comprendre leur co-évolution de la galaxie et de son SMBH central. Ces travaux seront également utiles pour comprendre l’origine du SMBH dans l’univers primitif. »
Plus d’information:
Xuheng Ding et al, Premières détections de lumière stellaire provenant de galaxies hôtes quasars à z > 6, arXiv (2022). DOI : 10.48550/arxiv.2211.14329