En qualité de personnes, nous sommes tous façonnés par les quartiers dans lesquels nous avons grandi, qu’il s’agisse d’un centre urbain animé ou d’une campagne tranquille. Les objets dans l’espace lointain ne sont pas différents.
En tant qu’astronome à l’Université de l’Arizona, j’aime me considérer comme un historien cosmique, suivant la croissance des trous noirs supermassifs.
Comme vous, chaque trou noir supermassif vit dans une maison – sa galaxie hôte – et dans un quartier – son groupe local d’autres galaxies. Un trou noir supermassif se développe en consommant le gaz déjà présent à l’intérieur de sa galaxie hôte, atteignant parfois un milliard de fois plus lourd que notre Soleil.
La physique théorique prédit que les trous noirs devraient mettre des milliards d’années à se transformer en quasars, qui sont des objets extrêmement brillants et puissants alimentés par des trous noirs. Pourtant, les astronomes savent que de nombreux quasars se sont formés en quelques centaines de millions d’années seulement.
Je suis fasciné par ce problème particulier de la croissance plus rapide que prévu des trous noirs et je m’efforce de le résoudre en effectuant un zoom arrière et en examinant l’espace autour de ces trous noirs. Les quasars les plus massifs sont peut-être des citadins, se formant au centre de dizaines ou de centaines d’autres galaxies. Ou peut-être que les quasars peuvent atteindre des proportions énormes, même dans les régions les plus désolées de l’univers.
Protoclusters de galaxies
Le plus gros objet pouvant se former dans l’univers est un amas de galaxies, contenant des centaines de galaxies attirées par la gravité vers un centre commun. Avant que ces galaxies regroupées ne s’effondrent en un seul objet, les astronomes les appellent protoamas. Dans ces voisinages denses de galaxies, les astronomes observent des collisions de galaxies, des trous noirs en croissance et de grands essaims de gaz qui deviendront éventuellement la prochaine génération d’étoiles.
Ces structures de protoclusters se développent aussi beaucoup plus rapidement que nous le pensions, nous avons donc un deuxième problème cosmique à résoudre : comment les quasars et les protoclusters évoluent-ils si rapidement ? Sont-ils connectés ?
Une simulation de la formation d’un protocole de galaxie. En blanc, les nuages de matière noire s’effondrent et fusionnent, tandis que le rouge montre les mouvements de gaz tombant sous l’attraction gravitationnelle des halos de matière noire. Collaboration TNG, CC BY-NC-SA
Pour examiner les protoamas, les astronomes obtiennent idéalement des images montrant la forme, la taille et la couleur de la galaxie, de même qu’un spectre montrant la distance de la galaxie à la Terre à travers des longueurs d’onde de lumière spécifiques, pour chaque galaxie du protoamas.
Avec des télescopes comme le télescope spatial James Webb, les astronomes peuvent voir les galaxies et les trous noirs tels qu’ils étaient il y a des milliards d’années, puisque la lumière émise par des objets lointains doit parcourir des milliards d’années-lumière pour atteindre ses détecteurs. Nous pouvons ensuite examiner les photos des bébés des protoclusters et des quasars pour voir comment ils ont évolué au début.
Un exemple d’image et de spectre de galaxie du programme ASPIRE de l’Université de l’Arizona. L’encadré montre l’image infrarouge d’une galaxie 800 millions d’années après le Big Bang. Le spectre montre les signatures des raies d’émission d’hydrogène et d’oxygène, dont les longueurs d’onde se traduisent mathématiquement en un emplacement 3D dans l’espace. J. Champagne/ASPIRE/Université de l’Arizona
Ce n’est qu’après avoir observé les spectres que les astronomes déterminent si les galaxies et les quasars sont réellement proches les uns des autres dans l’espace tridimensionnel. Mais obtenir les spectres de chaque galaxie, une par une, peut prendre beaucoup plus d’heures que n’importe quel astronome, et les images peuvent montrer des galaxies qui semblent plus proches les unes des autres qu’elles ne le sont en réalité.
Ainsi, pendant longtemps, il s’agissait simplement d’une prédiction d’après laquelle des quasars massifs pourraient évoluer au centre de vastes villes galactiques.
Une vue inédite des environnements quasars
Aujourd’hui, Webb a complètement révolutionné la recherche des voisinages galactiques grâce à un instrument appelé spectrographe sans fente à grand champ.
Cet instrument prend simultanément les spectres de chaque galaxie dans son champ de vision afin que les astronomes puissent cartographier une ville cosmique entière en même temps. Il code les informations critiques sur l’emplacement 3D des galaxies en capturant la lumière émise par le gaz à des longueurs d’onde spécifiques – et en seulement quelques heures d’observation.
Les premiers projets Webb espèrent étudier les environnements quasars en se concentrant sur une période d’environ 800 millions d’années après le Big Bang. Cette période est un moment idéal pendant lequel les astronomes peuvent observer ces quasars monstres et leurs voisins en utilisant la lumière émise par l’hydrogène et l’oxygène. Les longueurs d’onde de ces caractéristiques lumineuses montrent où se trouvent les objets qui les émettent le long de notre ligne de mire, permettant aux astronomes de compléter le recensement de l’endroit où vivent les galaxies par rapport aux quasars brillants.
L’un de ces projets en cours est dirigé par l’équipe ASPIRE du Steward Observatory de l’Université de l’Arizona. Dans un premier article, ils ont découvert un protocole autour d’un quasar extrêmement brillant et l’ont confirmé avec les spectres de 12 galaxies.
Une autre étude a détecté plus d’une centaine de galaxies, en direction du quasar le plus lumineux connu dans l’univers primitif. Vingt-quatre de ces galaxies étaient proches du quasar ou dans son voisinage.
Le voisinage des galaxies autour de J0305-3150, un quasar identifié environ 800 millions d’années après le Big Bang. STScI/NASA
Dans le cadre de travaux en cours, mon équipe apprend plus de détails sur les mini-villes galactiques comme celles-ci. Nous voulons déterminer si les galaxies individuelles présentent des taux élevés de formation de nouvelles étoiles, si elles contiennent de grandes masses d’étoiles anciennes ou si elles fusionnent les unes avec les autres. Toutes ces mesures indiqueraient que ces galaxies sont toujours en évolution active mais qu’elles s’étaient déjà formées des millions d’années avant que nous les observions.
Une fois que mon équipe aura une liste des propriétés des galaxies dans une zone, nous comparerons ces propriétés avec un échantillon témoin de galaxies aléatoires dans l’univers, loin de tout quasar. Si ces mesures sont suffisamment différentes de celles de contrôle, nous aurons de bonnes preuves que les quasars se développent dans des quartiers spéciaux – ceux qui se développent beaucoup plus rapidement que les régions les plus clairsemées de l’univers.
Tandis que les astronomes ont encore besoin de plus d’une poignée de quasars pour prouver cette hypothèse à plus grande échelle, Webb a déjà ouvert une fenêtre sur un avenir radieux de découvertes avec des détails glorieux et à haute résolution.
Jaclyn Champagne reçoit un financement de la National Science Foundation et du Space Telescope Science Institute. Les résultats d’ASPIRE sont étayés par les informations et le financement du programme JWST GO-2078. Les informations ont été obtenues à partir des archives Mikulski pour les télescopes spatiaux du Space Telescope Science Institute, qui est géré par l’Association des universités pour la recherche en astronomie, Inc., dans le cadre du contrat NAS 5-03127 de la NASA pour JWST.
