Webb capture une étonnante fusion quasar-galaxie dans l’univers lointain

Un groupe de recherche international dirigé par l’Institut national italien d’astrophysique (INAF) et comprenant 34 instituts de recherche et universités du monde entier a utilisé le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) à bord du télescope spatial James Webb (JWST) pour observer l’interaction spectaculaire entre un quasar à l’intérieur du système PJ308-21 et deux galaxies satellites massives dans l’univers lointain.

Les observations, réalisées en septembre 2022, ont révélé des détails inédits et impressionnants, offrant de nouvelles perspectives sur la croissance des galaxies dans l’univers primitif. Les résultats, présentés le 5 juillet lors de la conférence de la Société européenne d’astronomie (EAS 2024) réuni à Padoue (Italie), sera publié prochainement dans Astronomie et astrophysique.

Les observations de ce quasar (déjà décrit par les mêmes auteurs dans une autre étude (publié en mai dernier), l’un des premiers étudiés avec NIRSpec lorsque l’univers avait moins d’un milliard d’années (décalage vers le rouge z = 6,2342), ont révélé des données d’une qualité sensationnelle : l’instrument a « capturé » le spectre du quasar avec une incertitude inférieure à 1% par pixel.

La galaxie hôte de PJ308–21 présente une métallicité élevée et des conditions de photoionisation typiques d’un noyau galactique actif (AGN), tandis que l’une des galaxies satellites présente une faible métallicité (qui fait référence à l’abondance d’éléments chimiques plus lourds que l’hydrogène et l’hélium) et une photoionisation induite par la formation d’étoiles ; une métallicité plus élevée caractérise la deuxième galaxie satellite, qui est partiellement photoionisée par le quasar.

Cette découverte a permis aux astronomes de déterminer la masse du trou noir supermassif au centre du système (environ 2 milliards de masses solaires). Elle a également confirmé que le quasar et les galaxies environnantes sont très évolués en termes de masse et d’enrichissement en métaux, et en croissance constante.

Cela a de profondes implications pour notre compréhension de l’histoire cosmique et de l’évolution chimique des galaxies, soulignant l’impact transformateur de cette recherche.

Roberto Decarli, chercheur à l’INAF de Bologne et premier auteur de l’article, explique : « Notre étude révèle que les trous noirs au centre des quasars à fort décalage vers le rouge et les galaxies qui les hébergent subissent une croissance extrêmement efficace et tumultueuse dès le premier milliard d’années de l’histoire cosmique, aidée par le riche environnement galactique dans lequel ces sources se forment. »

Les données ont été obtenues en septembre 2022 dans le cadre du programme 1554, l’un des neuf projets italiens du premier cycle d’observation du JWST. Decarli dirige ce programme pour observer la fusion entre la galaxie hébergeant le quasar (PJ308-21) et deux de ses galaxies satellites.

Les observations ont été réalisées en mode spectroscopie de champ intégral : pour chaque pixel de l’image, on peut observer le spectre de la bande optique entière (dans le référentiel de repos de la source), décalé vers l’infrarouge par l’expansion de l’univers. Cela permet d’étudier différents traceurs de gaz (raies d’émission) par une approche 3D.

Grâce à cette technique, l’équipe dirigée par l’INAF a détecté des émissions spatialement étendues provenant de différents éléments, qui ont été utilisées pour étudier les propriétés du milieu interstellaire ionisé, notamment la source et la dureté du champ de rayonnement photoionisant, la métallicité, l’obscurcissement par la poussière, la densité et la température des électrons et le taux de formation d’étoiles.

De plus, les chercheurs ont détecté de manière marginale l’émission de lumière des étoiles associée à des sources compagnes.

Federica Loiacono, astrophysicienne, chercheuse et postdoctorante à l’INAF, déclare : « Grâce à NIRSpec, pour la première fois nous pouvons étudier dans le système PJ308-21 la bande optique, riche en précieuses données diagnostiques sur les propriétés du gaz à proximité du trou noir dans la galaxie hébergeant le quasar et dans les galaxies environnantes.

« Nous pouvons observer, par exemple, l’émission d’atomes d’hydrogène et la comparer aux éléments chimiques produits par les étoiles pour établir à quel point le gaz des galaxies est riche en métaux.

« L’expérience acquise dans la réduction et l’étalonnage de ces données, parmi les premières collectées avec NIRSpec en mode spectroscopie de champ intégral, a assuré un avantage stratégique à la communauté italienne dans la gestion de données similaires provenant d’autres programmes. » Loiacono est la personne de contact italienne pour la réduction des données NIRSpec au centre de support JWST de l’INAF.

Elle ajoute : « Grâce à la sensibilité du télescope spatial James Webb dans le proche et le moyen infrarouge, il a été possible d’étudier le spectre des quasars et des galaxies compagnes avec une précision sans précédent dans l’univers lointain. Seule l’excellente « vue » offerte par le JWST, avec ses capacités inégalées, peut garantir ces observations. »

Ce travail a représenté une véritable « montagne russe émotionnelle », poursuit Decarli, « avec la nécessité de développer des solutions innovantes pour surmonter les difficultés initiales de réduction des données ».

L’impact transformateur des instruments embarqués du télescope spatial James Webb souligne son rôle crucial dans l’avancement de la recherche astrophysique.

« Il y a encore quelques années, les données sur l’enrichissement des métaux (essentielles pour comprendre l’évolution chimique des galaxies) étaient quasiment hors de notre portée, surtout à ces distances. Aujourd’hui, nous pouvons les cartographier en détail en quelques heures d’observation, même dans les galaxies observées lorsque l’univers était encore à ses balbutiements », conclut Decarli.