Dans une première, le JWST a détecté la lumière d'étoiles provenant de galaxies lointaines avec des quasars.

CAMBRIDGE, MASS. - Pour la première fois, des astronomes ont détecté la lumière des étoiles de galaxies lointaines qui abritent des trous noirs supermassifs extrêmement lumineux appelés quasars.

Les données du télescope spatial James Webb révèlent que quatre de ces galaxies sont massives, compactes et peut-être en forme de disque, rapportent les astronomes le 12 juin lors de la réunion JWST First Light. L'étude de ces galaxies pourrait aider à résoudre le mystère de la croissance rapide des trous noirs dans l'univers primitif (SN: 1/18/21).

« Depuis la découverte des quasars [distantes], il y a eu des études visant à détecter leurs galaxies hôtes », a déclaré l'astrophysicien du MIT Minghao Yue. Mais avant l'arrivée du JWST à la vue infrarouge nette, cela n'était pas possible. "Cela ouvre de toutes nouvelles perspectives pour enfin comprendre les quasars lumineux et leurs galaxies hôtes.

Les quasars sont des trous noirs qui se nourrissent si furieusement que la matière qu'ils avalent se réchauffe à des températures blanches, brillant plus que les étoiles des galaxies environnantes. Ils sont si lumineux et lointains que chacun apparaît comme un seul point lumineux ressemblant à une étoile.

Deux groupes indépendants ont utilisé cette qualité ressemblant à une étoile pour effacer l'éclat des trous noirs des images de leurs galaxies, comme un sculpteur façonnant une figure dans le marbre.

Yue et ses collègues ont utilisé JWST pour observer six galaxies abritant des quasars. Vers la même période, l'astrophysicien Xuheng Ding de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'université à Tokyo et ses collègues ont utilisé JWST pour examiner un autre couple de quasars. La lumière de tous les quasars a été émise il y a plus de 12,8 milliards d'années, soit moins d'un milliard d'années après le Big Bang.

Les équipes ont utilisé les étoiles réelles des images pour simuler les formes de quasars ressemblant à des étoiles. Ensuite, ils ont soustrait le quasar simulé de l'image de chaque galaxie entière, et voilà : seule la lumière des étoiles est restée.

L'équipe de Ding a eu un aperçu direct des deux galaxies, tandis que l'équipe de Yue a aperçu deux de leurs six galaxies. Toutes les galaxies mesurées semblent être moins larges que la Voie lactée, mesurant entre 2600 et 8 000 années-lumière. Les deux galaxies observées par Yue et ses collègues contiennent suffisamment d'étoiles pour équivaloir entre 10 et 100 milliards de fois la masse du Soleil, estiment les chercheurs. La paire que Ding et ses collègues ont examinée pèse environ 25 milliards et 63 milliards de masses solaires, ont rapporté l'équipe lors de la réunion et dans une étude à paraître dans Nature.

Ces masses sont comparables à celle de toutes les étoiles de la Voie lactée, qui totalisent environ 60 milliards de fois la masse du Soleil. C'est étonnamment massif pour une époque si précoce de l'histoire de l'univers.

En outre, les galaxies semblent enfreindre une règle établie par les observations de galaxies dans l'univers proche. Localement, les galaxies ont tendance à répartir leur masse entre les étoiles et les trous noirs de manière prévisible : plus son trou noir supermassif central est massif, plus une galaxie a d'étoiles. Ces galaxies semblent emballer plus de masse dans leur trou noir que leur quantité d'étoiles ne le permet.

« Au moins pour ces quasars lumineux, ils sont vraiment sur-massifs », a déclaré Yue.

Les calculs de masse pourraient s'avérer surestimés, déclare l'astrophysicien Paul Shapiro de l'Université du Texas à Austin, qui n'a participé à aucune des deux études. La conversion de la lumière que peut voir JWST en étoiles repose sur des hypothèses sur le nombre d'étoiles de masses différentes qu'une galaxie possède. Les galaxies modernes ont beaucoup plus d'étoiles légères et faibles que d'étoiles massives et lumineuses, de sorte que les astronomes supposent généralement que les étoiles les plus brillantes qu'ils voient ne sont que la partie visible de l'iceberg. Mais cela n'était peut-être pas le cas il y a 800 millions d'années après le Big Bang, explique Shapiro.

« Vous observez la queue et inférez le chien », dit-il. « S'il y avait une distribution de masse qui favorise les étoiles de grande masse, vous pourriez surestimer considérablement la masse associée à la lumière ».

Mais « le fait que nous puissions le voir est très excitant », déclare l'astronome Madeline Marshall du Conseil national de recherches du Canada à Victoria. Le fait que deux groupes rapportent indépendamment la lumière des hôtes de quasars est très convaincant, dit-elle.

« Avant JWST, nous ne pouvions pas détecter les galaxies hôtes de [lointains] quasars », a-t-elle déclaré lors de la réunion. « Maintenant, avec seulement la première année d'observations... nous pouvons détecter certains de ces hôtes pour la première fois. »

Ces premiers quelques hôtes de quasars ne sont que le début, dit Ding. JWST devrait observer au moins 10 autres quasars, certains étant encore plus éloignés. Un échantillon plus large aidera les astronomes à résoudre des énigmes cosmiques persistantes sur la manière dont les trous noirs et les galaxies s'influencent mutuellement lors de leur croissance.

“We don’t know how black holes can be so big in the early universe,” Ding says. “You need to understand the environment of this monster, how it can collect so much matter to it. So knowing the conditions — the mass of the host galaxies, for example — at least then you can say how their local environment is.”

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