Conception artistique du télescope spatial James Webb. Credit : NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
L’équipe du télescope spatial Webb continue de travailler à la mise en service des instruments scientifiques, dernière étape avant le début des opérations scientifiques en été. Nous avons récemment vu l’image spectaculaire du trou noir au centre de notre galaxie la Voie lactée, prise par le télescope Event Horizon. L’une des énigmes de l’astronomie moderne est de savoir comment chaque grande galaxie en est arrivée à avoir un trou noir central gargantuesque, et comment certains de ces trous noirs sont étonnamment grands, même au tout début de l’univers. Nous avons demandé à Roberto Maiolino, membre de l’équipe scientifique de l’instrument NIRSpec (Near-Infrared Spectrometer) de Webb, de nous expliquer comment Webb contribuera à répondre à certaines de ces questions.
“L’un des domaines de découverte les plus passionnants que Webb est sur le point d’ouvrir est la recherche de trous noirs primitifs dans l’univers primitif. Ce sont les graines des trous noirs beaucoup plus massifs que les astronomes ont trouvés dans les noyaux galactiques. La plupart des galaxies (probablement toutes) abritent en leur centre des trous noirs dont la masse varie de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois celle de notre Soleil. Ces trous noirs supermassifs sont devenus si grands en engloutissant la matière qui les entoure, mais aussi en fusionnant avec des trous noirs plus petits.
“Une découverte récente intrigante a été la découverte de trous noirs hypermassifs, avec des masses de plusieurs milliards de masses solaires, déjà en place lorsque l’univers n’avait qu’environ 700 millions d’années, une petite fraction de son âge actuel de 13,8 milliards d’années. Il s’agit d’un résultat surprenant, car à des époques aussi précoces, il n’y a pas assez de temps pour que de tels trous noirs hypermassifs se développent, selon les théories standard. Certains scénarios ont été proposés pour résoudre cette énigme.
“Une possibilité est que les trous noirs, résultant de la mort de la toute première génération d’étoiles dans l’univers primitif, ont accrété de la matière à des taux exceptionnellement élevés. Un autre scénario est que des nuages de gaz primitifs et vierges, pas encore enrichis en éléments chimiques plus lourds que l’hélium, pourraient s’effondrer directement pour former un black hole with a mass of a few hundred thousand solar masses, and subsequently accrete matter to evolve into the hyper-massive black holes observed at later epochs. Finally, dense, nuclear star clusters at the centers of baby galaxies may have produced intermediate mass black hole seeds, via stellar collisions or merging of stellar-mass black holes, and then become much more massive via accretion.
This illustration shows the populations of known black holes (large black dots) and the candidate black hole progenitors in the early universe (shaded regions). Credit: Roberto Maiolino, University of Cambridge
“Webb is about to open a completely new discovery space in this area. It is possible that the first black hole seeds originally formed in the ‘baby universe,’ within just a few million years after the big bang. Webb is the perfect ‘time machine’ to learn about these primeval objects. Its exceptional sensitivity makes Webb capable of detecting extremely distant galaxies, and because of the time required for the light emitted by the galaxies to travel to us, we will see them as they were in the remote past.
“Webb’s NIRSpec instrument is particularly well suited to identify primeval black hole seeds. My colleagues in the NIRSpec Instrument Science Team and I will be searching for their signatures during ‘active’ phases, when they are voraciously gobbling matter and growing rapidly. In these phases the material surrounding them becomes extremely hot and luminous and ionizes the atoms in their surroundings and in their host galaxies.
“NIRSpec will disperse the light from these systems into spectra, or ‘rainbows.’ The rainbow of active black hole seeds will be characterised by specific ‘fingerprints,’ features of highly ionized atoms. NIRSpec will also measure the velocity of the gas orbiting in the vicinity of these primeval black holes. Smaller black holes will be characterized by lower orbital velocities. Black hole seeds formed in pristine clouds will be identified by the absence of features associated with any element heavier than helium.
“I look forward to using Webb’s unprecedented capabilities to search for these black hole progenitors, with the ultimate goal of understanding their nature and origin. The early universe and the realm of black holes seeds is a completely uncharted territory that my colleagues and I are very excited to explore with Webb.”
— Roberto Maiolino, professor of experimental astrophysics and director of the Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge
Written by:
- Jonathan Gardner, Webb deputy senior project scientist, NASA’s Goddard Space Flight Center
- Stefanie Milam, Webb deputy project scientist for planetary science, NASA’s Goddard Space Flight Center
