Lorsque les astronomes ont découvert des objets ponctuels dans des relevés radio dans le ciel dans les années 1950, ils ne savaient pas trop comment les catégoriser. S’agissait-il d’étoiles, de galaxies ou d’autre chose ? Un grand et nouveau champ d’exploration s’ouvrit. Ces sources radio quasi-stellaires sont devenues connues sous le nom de quasars et aujourd’hui nous apprécions mieux à quel point elles sont vraiment fascinantes : les quasars sont des trous noirs supermassifs actifs qui se révèlent à travers leurs spectacles de lumière. Le gaz et la poussière orbitent autour de ces trous noirs supermassifs, se frottant continuellement les uns aux autres pour créer de la chaleur et de la lumière, que nous pouvons détecter.
Les trois quasars les plus éloignés actuellement connus ont été découverts depuis 2018, chacun étant situé à plus de 13 milliards d’années-lumière. le Télescope spatial James Webb offrira aux chercheurs de nouvelles vues de ces objets en lumière infrarouge à haute résolution. Avec ces données puissantes, une équipe de recherche vise à affiner les calculs des masses de leurs trous noirs, à détailler les étoiles de leurs galaxies hôtes et à étudier les galaxies de leur voisinage. De plus, leurs recherches peuvent influencer notre vision de cette première ère de l’univers.
Conception artistique du télescope spatial James Webb. Crédit : NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
Recherche d’anciens trous noirs supermassifs avec Webb de la NASA
Les trous noirs supermassifs actifs très éloignés sont les balises les plus brillantes de l’univers. Connus sous le nom de quasars, ces mastodontes sont entourés de galaxies également distantes. Au cours des dernières décennies, les chercheurs se sont lancés dans une chasse au trésor cosmique et ont identifié les trois quasars les plus éloignés connus au cours des trois dernières années, chacun à plus de 13 milliards d’années-lumière de la Terre. Les astronomes pensent qu’il peut falloir des milliards d’années pour que les trous noirs supermassifs et les galaxies qui les accompagnent se forment. Comment est-il possible que ces quasars soient devenus si gigantesques, avec des milliards de masses solaires, au cours des 700 premiers millions d’années de l’univers ? Une fois que vous pouvez voir au-delà de leur éblouissement, à quoi ressemblent les galaxies qui les accompagnent ? Et à quoi ressemblent leurs « quartiers » ?
Telles sont les questions que Xiaohui Fan et Jinyi Yang, tous deux de l’Université de l’Arizona, et Eduardo Bañados, de l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne, avec une équipe internationale d’astronomes, vont poursuivre avec des observations prises par le télescope spatial James Webb. . “Ce sont des objets vraiment précieux”, a déclaré Fan. “Nous avons structuré ce programme pour apprendre tout ce à quoi nous pouvions penser afin que notre équipe et la communauté astronomique dans son ensemble puissent explorer pleinement ces quasars.”
La sensibilité de Webb à la lumière infrarouge – y compris les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen qui ne peuvent être capturées que depuis l’espace – permettra à l’équipe d’observer ces objets, dont la lumière a voyagé pendant 13 milliards d’années et dont les longueurs d’onde s’étendent de la lumière ultraviolette et visible à la lumière infrarouge. . Webb a une sensibilité et une résolution spatiale inégalées, qui révéleront des structures complexes dans ces objets distants.
L’équipe prévoit d’observer et d’analyser les données à trois échelles : examiner de près les quasars eux-mêmes, étudier les étoiles dans les galaxies hôtes environnantes après avoir supprimé la lumière des quasars et classer les galaxies situées à proximité. “Ces quasars sont des objets très spéciaux”, a expliqué Bañados. « C’est pourquoi nous voulons fournir la meilleure caractérisation possible de chacun avec Webb. »
Illustration d’un quasar dans l’univers primitif. Les chercheurs étudieront pour la première fois en détail les galaxies qui entourent trois quasars brillants avec le télescope spatial James Webb. Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
« Zoom » avant et arrière
Fan, Yang et Bañados ne perdent aucune opportunité : ils utiliseront presque tous les instruments disponibles sur Webb pour observer ces quasars. Dans un premier temps, ils affineront les mesures de la masse de chaque supermassif trou noir. “L’existence de ces trous noirs remet en question les modèles théoriques”, a déclaré Yang. “Nous voulons obtenir des mesures plus précises de leurs masses pour améliorer notre compréhension de la façon dont ils se sont formés et ont grandi si rapidement.”
Pour augmenter la précision des mesures existantes provenant d’autres observatoires, ils se tourneront vers les spectres – des données qui détaillent les propriétés physiques d’un objet, y compris la masse et la composition chimique, fournies par le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) de Webb. Cela permettra à l’équipe de produire des masses de trous noirs plus précises.
Ensuite, ils se concentreront sur la révélation des galaxies derrière la lumière brillante des quasars. Ils prendront des images très profondes et détaillées de chaque cible avec la caméra proche infrarouge de Webb (NIRCam), puis utiliseront des modèles informatiques pour supprimer la lumière des quasars de chacune. Les images finales et traitées leur donneront les premières vues de la lumière des étoiles dans les galaxies hôtes. L’équipe obtiendra également des spectres avec l’instrument à infrarouge moyen (MIRI) de Webb. Personne ne peut prédire complètement ce qu’ils vont apprendre. Ces galaxies anciennes étaient-elles plus compactes ? Leurs étoiles contiennent-elles plus que de l’hydrogène et de l’hélium ? Webb apportera certainement de nouvelles perspectives !
L’équipe obtiendra également des spectres des quasars et de leurs galaxies hôtes pour suivre comment le gaz se déplace dans les galaxies hôtes et déterminer si les trous noirs supermassifs actifs envoient des vents chauds qui chauffent le gaz des galaxies. Bien que personne ne puisse observer une boucle de rétroaction complète en temps réel (cela prend des millions d’années !), ils peuvent échantillonner ce qui est présent avec NIRSpec et commencer à observer les connexions entre les quasars et leurs galaxies hôtes.
Ils effectueront également un « zoom arrière » pour voir des galaxies à proximité de ces quasars. Les vastes observations à haute résolution de Webb aideront l’équipe à caractériser les galaxies qui se trouvent dans le voisinage en utilisant l’imageur infrarouge proche et le spectrographe sans fente (NIRISS) et NIRCam de Webb.
Il y a plus de 13 milliards d’années, pendant l’ère de la réionisation, l’univers était un endroit très différent. Le gaz entre les galaxies était en grande partie opaque à la lumière énergétique, ce qui rendait difficile l’observation des jeunes galaxies. Qu’est-ce qui a permis à l’univers de devenir complètement ionisé ou transparent, menant finalement aux conditions « claires » détectées dans une grande partie de l’univers aujourd’hui ? Le télescope spatial James Webb scrutera profondément dans l’espace pour recueillir plus d’informations sur les objets qui existaient pendant l’ère de la réionisation afin de nous aider à comprendre cette transition majeure dans l’histoire de l’univers. Crédit : NASA, ESA, Joyce Kang (STScI)
Enfin, les chercheurs échantillonneront également les environnements à grande échelle autour des quasars – les caractéristiques du gaz et de la poussière. À quoi ressemblait l’univers 700 ou 800 millions d’années après le big bang ? C’était une période connue sous le nom d’ère de la réionisation (voir l’image ci-dessus), lorsque le gaz entre les galaxies était en grande partie opaque. Ce n’est qu’après le premier milliard d’années de l’univers que le gaz est devenu totalement transparent, permettant à la lumière de voyager plus facilement. L’équipe mesurera tout ce qui se trouve entre nous et les quasars avec NIRSpec. “Nous savons que ces quasars existent lorsque l’univers était à environ cinquante pour cent neutre”, a expliqué Bañados. “Ces cibles représentent un âge important de l’univers – essentiellement le pic de cette transition. Webb fournira de nouvelles contraintes sur ce à quoi ressemblait cette période. »
Fan, Yang et Bañados partageront les richesses de ce programme d’observation approfondi en publiant des données et des outils à la communauté astronomique pour accélérer la recherche globale des quasars dans l’univers primitif. « Webb nous aidera à faire le prochain bond en avant dans la compréhension de ces objets », a déclaré Fan.
Cette recherche sera menée dans le cadre des programmes d’observateurs généraux (GO) de Webb, qui sont sélectionnés de manière concurrentielle à l’aide d’un système d’examen à double anonymat, le même système qui est utilisé pour allouer du temps sur le Le télescope spatial Hubble.
Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sondera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de notre lieu dedans. Webb est un programme international dirigé par Nasa avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.
