Le Web cosmique est la structure à grande échelle de l’Univers. Si vous pouviez regarder notre cosmos se dérouler du Big Bang à aujourd’hui, vous verriez ces filaments (et les vides entre eux) se former au fil du temps. Maintenant, les astronomes utilisant JWST ont trouvé dix galaxies qui constituent une version très ancienne de cette structure à peine 830 millions d’années après le début de l’Univers.
La « toile cosmique » a commencé par des fluctuations de densité au tout début de l’Univers. Quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, la matière (sous forme de gaz primordial) s’était condensée en nœuds aux intersections des nappes et des filaments de gaz de la toile primitive. Ces nœuds et filaments ont accueilli les premières étoiles et galaxies. Il est naturel que les astronomes regardent en arrière dans le temps et recherchent les premières versions de la toile cosmique. JWST leur a permis de regarder en arrière des objets très faibles et sombres qui existaient peu de temps après le Big Bang.
Les dix galaxies repérées par l’équipe sont alignées dans un mince fil de trois millions d’années-lumière ancré par un quasar brillant. Son apparence a surpris l’équipe à la fois par sa taille et sa place dans l’histoire cosmique. “Il s’agit de l’une des premières structures filamenteuses que les gens aient jamais trouvées associées à un quasar distant”, a ajouté Feige Wang de l’Université de l’Arizona à Tucson, chercheur principal de ce programme.
Aspirer à comprendre l’univers primitif et le Web cosmique
Les observations du JWST font partie d’un programme d’observation appelé ASPIRE : une étude SPectroscopique des halos biaisés à l’ère de la réionisation. Il utilise à la fois des images et des spectres de 25 quasars qui existaient à l’époque où l’Univers commençait à s’éclairer après le “moyen des ténèbres”. L’idée est d’étudier la formation des toutes premières galaxies possibles, ainsi que les naissances des premiers trous noirs. De plus, l’équipe espère comprendre comment l’univers primitif s’est enrichi d’éléments plus lourds (les métaux) et comment tout cela s’est déroulé à l’époque de la réionisation.
Les objectifs d’ASPIRE sont une partie importante de la compréhension de l’origine et de l’évolution de l’Univers. « Les deux dernières décennies de recherche en cosmologie nous ont donné une solide compréhension de la façon dont la toile cosmique se forme et évolue. ASPIRE vise à comprendre comment intégrer l’émergence des premiers trous noirs massifs dans notre histoire actuelle de la formation de la structure cosmique », a expliqué Joseph Hennawi, membre de l’équipe de l’Université de Californie à Santa Barbara.
Zoom sur les premiers trous noirs
Les quasars font signe à travers le temps et l’espace. Ils sont alimentés par des trous noirs supermassifs qui produisent des quantités incroyables de lumière et d’autres émissions, ainsi que de puissants jets. Les astronomes les utilisent comme bougies standard pour les mesures de distance, ainsi que comme moyen d’étudier les vastes régions de l’espace traversées par leur lumière.
Au moins huit des quasars de l’étude ASPIRE ont des trous noirs qui se sont formés moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Ces trous noirs ont des masses comprises entre 600 millions et 2 milliards de fois la masse du Soleil. C’est vraiment assez massif et soulève beaucoup de questions sur leur croissance rapide. « Pour former ces trous noirs supermassifs en si peu de temps, deux critères doivent être satisfaits. Tout d’abord, vous devez commencer à grandir à partir d’un énorme trou noir « graine ». Deuxièmement, même si cette graine commence avec une masse équivalente à mille Soleils, elle doit encore accréter un million de fois plus de matière au taux maximum possible pendant toute sa durée de vie », a expliqué Wang.
Pour que ces trous noirs grandissent comme ils l’ont fait, ils avaient besoin de beaucoup de carburant. Leurs galaxies étaient également assez massives, ce qui pourrait expliquer les trous noirs monstres dans leurs cœurs. Non seulement ces trous noirs ont aspiré beaucoup de matière, mais leurs sorties affectent également la formation des étoiles. “Les vents forts des trous noirs peuvent supprimer la formation d’étoiles dans la galaxie hôte. De tels vents ont été observés dans l’univers proche mais n’ont jamais été directement observés à l’époque de la réionisation », a déclaré Yang. « L’échelle du vent est liée à la structure du quasar. Dans les observations de Webb, nous voyons que de tels vents existaient dans l’univers primitif.
Pourquoi l’Epoque ?
Nous entendons souvent parler d’astronomes voulant revenir sur l’époque de la réionisation. Pourquoi est-ce une cible si alléchante ? Il offre un regard sur une époque où les premières étoiles et galaxies se sont formées. Après le Big Bang, l’Univers naissant était dans un état chaud et dense. Parfois, nous l’entendons parler de soupe primordiale du cosmos. Ensuite, l’expansion a pris le dessus et les choses ont commencé à se refroidir. Cela a permis aux électrons et aux protons de se combiner pour former les premiers atomes neutres de gaz. Il a également permis à l’énergie thermique du Big Bang de se propager. Les astronomes détectent ce rayonnement. Il est décalé vers le rouge dans la partie micro-ondes du spectre électromagnétique. Les astronomes l’appellent le « rayonnement de fond diffus cosmologique » (CMB).
Cet aspect de l’Univers primitif présentait de minuscules fluctuations de densité dans son matériau en expansion. Ce matériau était de l’hydrogène neutre. Il n’y avait pas encore d’étoiles ou de galaxies. Mais, finalement, ces zones à plus haute densité ont commencé à s’agglutiner sous l’effet de la gravité, ce qui a également provoqué l’agglutination de la matière neutre. Cela a conduit à un nouvel effondrement des zones à haute densité, ce qui a finalement conduit à la naissance des premières étoiles. Ils ont chauffé le matériau environnant, ce qui a percé des trous dans les régions neutres, ce qui a permis à la lumière de voyager. Essentiellement, ces trous (ou bulles) dans le gaz neutre permettaient aux rayonnements ionisants de voyager plus loin dans l’espace. C’était le début de l’époque de la réionisation. Un milliard d’années après le Big Bang, l’Univers était complètement ionisé.
Alors, comment expliquer les premiers trous noirs supermassifs ?
Il est intéressant de noter que ces premières galaxies découvertes par JWST, ainsi que leurs quasars, étaient déjà pleinement en place, avec des trous noirs supermassifs en leur cœur. Cette question clé demeure : comment sont-ils devenus si gros si vite ? Leur existence peut révéler quelque chose aux astronomes sur les “surdensités” dans le cosmos naissant. Premièrement, la « graine » du trou noir a besoin d’une région sur-dense remplie de galaxies pour se former.
Jusqu’à présent, cependant, les observations avant la découverte du JWST n’ont trouvé que quelques surdensités de galaxies autour des premiers trous noirs supermassifs. Les astronomes doivent faire plus d’observations à cette époque pour expliquer pourquoi cela pourrait être le cas. Le programme ASPIRE devrait aider à résoudre les questions sur la rétroaction entre la formation des galaxies et la création des trous noirs à cette époque très ancienne de l’Univers. En cours de route, ils devraient également voir plus de fragments de la structure à grande échelle de la toile cosmique de l’Univers au fur et à mesure qu’ils se forment.
Pour plus d’informations
Webb de la NASA identifie les premiers brins du Web cosmique
Une étude spectroscopique des halos biaisés à l’ère de la réionisation (ASPIRE): JWST révèle une structure filamentaire autour de az = 6,61 Quasar
