Un objet compact et poussiéreux reliant les galaxies et les quasars à l’aube cosmique

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 trou noir supermassif, et il est né relativement peu de temps après le Big Bang. Des simulations avaient indiqué que de tels objets devaient exister, 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 télescope spatial Hubble exploité conjointement par l’ESA et la NASA. Grâce à son emplacement dans l’espace, 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 voyagent plus longtemps pour nous atteindre.

L’objet nouvellement trouvé – 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 que le Big Bang s’est produit il y a environ 13,8 milliards d’années, GNz7q trouve son origine dans une époque connue sous le nom d'”aube cosmique”.

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.

“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 d’étoiles fortement obscurcie par la poussière, puis se transforme en un objet compact lumineux non obscurci en expulsant le gaz et la poussière environnants », explique le professeur agrégé Gabriel Brammer, de l’Institut Niels Bohr. “Bien que les 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 concordent 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 poussiéreux de l’étoile, un ancêtre du dernier trou noir supermassif.

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”, déclare 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 du télescope spatial NASA / ESA / CSA 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 à quel point ces trous noirs à croissance rapide sont vraiment communs”, a déclaré Seiji. dit Fujimoto.

Un article sur la découverte de GNz7q, “Un objet compact poussiéreux reliant les galaxies et les quasars à l’aube cosmique”, est publié dans l’édition en ligne de Nature le 13 avril 2022.