L’ancêtre d’un trou noir supermassif

Une équipe internationale d’astronomes utilisant des données d’archives du télescope spatial Hubble de la NASA / ESA et d’autres observatoires spatiaux et terrestres a découvert un objet unique dans l’univers lointain et précoce qui est un lien crucial entre les jeunes galaxies en formation d’étoiles et les plus anciennes. trous noirs supermassifs. Cet objet est le premier du genre à être découvert si tôt dans l’histoire de l’Univers, et se cachait inaperçu dans l’une des zones les mieux étudiées du ciel nocturne. Les théories actuelles prédisent que les trous noirs supermassifs commencent leur vie dans les noyaux enveloppés de poussière de galaxies “starburst” vigoureusement formées d’étoiles avant d’expulser le gaz et la poussière environnants et d’émerger sous forme de quasars extrêmement lumineux. Bien qu’ils soient extrêmement rares, des exemples de galaxies poussiéreuses et de quasars lumineux ont été détectés dans l’Univers primordial. L’équipe pense que GNz7q pourrait être le “chaînon manquant” entre ces deux classes d’objets. Crédit : NASA, ESA, N. Bartmann

Un effort international mené par des astrophysiciens de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague et de l’Université technique du Danemark a identifié un objet distant dont les propriétés se situent entre celles d’une galaxie et celles d’un soi-disant quasar. L’objet peut être considéré comme l’ancêtre d’un supermassif trou noiret il est né relativement peu de temps après la Big Bang. Des simulations avaient indiqué que de tels objets existeraient, mais c’est la première découverte réelle.

“L’objet découvert relie deux populations rares d’objets célestes, à savoir les explosions d’étoiles poussiéreuses et les quasars lumineux, et offre ainsi une nouvelle voie vers la compréhension de la croissance rapide des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif”, explique Seiji Fujimoto, un stagiaire postdoctoral basé à l’université. Institut Niels Bohr, Université de Copenhague.

La découverte peut être attribuée au Le télescope spatial Hubble exploité conjointement par l’ESA et Nasa. Avec son emplacement dans l’espace – non perturbé par les changements météorologiques, la pollution, etc. – le télescope peut regarder plus loin dans les profondeurs de l’univers que cela n’aurait été le cas au sol. Et en astronomie, regarder plus loin équivaut à pouvoir observer des phénomènes qui ont eu lieu à des périodes cosmiques antérieures – puisque la lumière et d’autres types de rayonnement auront voyagé plus longtemps pour nous atteindre.

L’objet nouvellement découvert – nommé GNz7q par l’équipe – est né 750 millions d’années après le Big Bang, qui est généralement accepté comme le début de l’univers tel que nous le connaissons. Depuis l’origine du Big Bang il y a environ 13,8 milliards d’années, GNz7q trouve son origine dans une époque connue sous le nom de “Cosmic Dawn”.

Le mystère des trous noirs supermassifs

La découverte est liée à un type spécifique de quasars. Les quasars, également appelés objets quasi-stellaires, sont des objets extrêmement lumineux. Les images de Hubble et d’autres télescopes avancés ont révélé que les quasars se produisent au centre des galaxies. La galaxie hôte de GNz7q est une galaxie intensément formatrice d’étoiles, formant des étoiles à un rythme 1 600 fois plus rapide que notre propre galaxie, la voie Lactée. Les étoiles, à leur tour, créent et chauffent la poussière cosmique, la faisant briller dans l’infrarouge dans la mesure où l’hôte de GNz7q est plus lumineux en émission de poussière que tout autre objet connu à cette période de l’Aube Cosmique.

Au cours des dernières années, il s’est avéré que les quasars lumineux sont alimentés par des trous noirs supermassifs, avec des masses allant de millions à des dizaines de milliards de masses solaires, entourés de vastes quantités de gaz. Au fur et à mesure que le gaz tombe vers le trou noir, il se réchauffe à cause du frottement qui fournit l’énorme effet lumineux.

GNz7q dans le champ Hubble GOODS-North

Une équipe internationale d’astronomes utilisant des données d’archives du télescope spatial Hubble de la NASA et d’autres observatoires spatiaux et terrestres a découvert un objet unique dans l’univers lointain qui est un lien crucial entre les jeunes galaxies en formation d’étoiles et les premiers trous noirs supermassifs. Cet objet est le premier du genre à être découvert alors que l’univers n’avait que 750 millions d’années. Il se cachait inaperçu dans l’une des zones les mieux étudiées du ciel nocturne. L’objet, appelé GNz7q, est le point rouge au centre de l’image du Hubble Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-North). Crédit : NASA, ESA, Garth Illingworth (UC Santa Cruz), Pascal Oesch (UC Santa Cruz, Yale), Rychard Bouwens (LEI), I. Labbe (LEI), Cosmic Dawn Center / Niels Bohr Institute / Université de Copenhague, Danemark

“Comprendre comment les trous noirs supermassifs se forment et se développent dans l’univers primitif est devenu un mystère majeur. Les théoriciens ont prédit que ces trous noirs subissent une phase précoce de croissance rapide: un objet compact rougi par la poussière émerge d’une galaxie starburst fortement sécurisée par la poussière, puis se transforme en un objet compact lumineux non obscurci en expulsant le gaz et la poussière environnants », explique Associate Professeur Gabriel Brammer, Institut Niels Bohr, poursuivant :

“Bien que des quasars lumineux aient déjà été trouvés même aux premières époques de l’univers, la phase de transition de croissance rapide du trou noir et de son hôte d’éclatement d’étoiles n’avait pas été trouvée à des époques similaires. De plus, les propriétés observées sont en excellent accord avec les simulations théoriques et suggèrent que GNz7q est le premier exemple de la phase de transition et de croissance rapide des trous noirs au cœur de l’étoile poussiéreuse, un ancêtre du trou noir supermassif ultérieur. »

Seiji Fujimoto et Gabriel Brammer font tous deux partie du Cosmic Dawn Center (DAWN), une collaboration entre l’Institut Niels Bohr et DTU Space.

Cachant à la vue

Curieusement, GNz7q a été trouvé au centre d’un champ céleste intensément étudié connu sous le nom de champ Hubble GOODS North.

“Cela montre à quel point de grandes découvertes peuvent souvent être cachées juste devant vous”, commente Gabriel Brammer.

Trouver GNz7q caché à la vue de tous n’a été possible que grâce aux ensembles de données uniques et détaillés à plusieurs longueurs d’onde disponibles pour GOODS North. Sans la richesse des données, l’objet aurait été facile à négliger, car il n’a pas les caractéristiques distinctives des quasars de l’univers primitif.

“Il est peu probable que la découverte de GNz7q dans le cadre de l’enquête GOODS-N relativement petite n’ait été qu’une” chance stupide “, mais plutôt que la prévalence de ces sources puisse en fait être nettement plus élevée qu’on ne le pensait auparavant”, ajoute Brammer.

L’équipe espère désormais rechercher systématiquement des objets similaires à l’aide de relevés dédiés à haute résolution et tirer parti de la NASA / ESA / CSA Télescope spatial James Webb.

“Caractériser pleinement ces objets et sonder leur évolution et leur physique sous-jacente de manière beaucoup plus détaillée deviendra possible avec le télescope James Webb. Une fois en fonctionnement régulier, Webb aura le pouvoir de déterminer de manière décisive la fréquence réelle de ces trous noirs à croissance rapide », conclut Seiji Fujimoto.

Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Hubble Uncovers Bizarre, Evolutionary Missing Link From the Dawn of the Universe.

Référence : “Un objet compact poussiéreux reliant les galaxies et les quasars à l’aube cosmique” par S. Fujimoto, GB Brammer, D. Watson, GE Magdis, V. Kokorev, TR Greve, S. Toft, F. Walter, R. Valiante, M Ginolfi, R. Schneider, F. Valentino, L. Colina, M. Vestergaard, R. Marques-Chaves, JPU Fynbo, M. Krips, CL Steinhardt, I. Cortzen, F. Rizzo et PA Oesch, 13 avril 2022, Nature.
DOI : 10.1038 / s41586-022-04454-1

Le Cosmic Dawn Center (DAWN) est un centre international d’excellence pour l’astronomie, soutenu par la Fondation nationale danoise pour la recherche.

DAWN est une collaboration entre l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague et l’Institut national de l’espace de l’Université technique du Danemark (DTU Space). Le centre se consacre à découvrir quand et comment les premières galaxies, étoiles et trous noirs se sont formés et ont évolué dans l’Univers primordial, grâce à des observations avec les principaux télescopes de la prochaine décennie, ainsi qu’à des travaux théoriques et des simulations.

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