Une équipe internationale d'astronomes a utilisé le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA pour trouver des preuves d'une fusion en cours de deux galaxies et de leurs énormes trous noirs alors que l'Univers n'avait que 740 millions d'années. Il s’agit de la détection la plus lointaine d’une fusion de trous noirs jamais obtenue et de la première fois que ce phénomène est détecté aussi tôt dans l’Univers.
Les astronomes ont découvert des trous noirs supermassifs dont la masse est de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois celle du Soleil dans la plupart des galaxies massives de l'Univers local, y compris dans notre galaxie, la Voie lactée. Ces trous noirs ont probablement eu un impact majeur sur l’évolution des galaxies dans lesquelles ils résident. Cependant, les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement comment ces objets sont devenus si massifs. La découverte de trous noirs gargantuesques déjà en place au cours du premier milliard d’années après le Big Bang indique qu’une telle croissance a dû se produire très rapidement et très tôt. Aujourd’hui, le télescope spatial James Webb apporte un nouvel éclairage sur la croissance des trous noirs dans l’Univers primitif.
Les nouvelles observations de Webb ont fourni la preuve d'une fusion en cours de deux galaxies et de leurs énormes trous noirs alors que l'Univers n'avait que 740 millions d'années. Le système est connu sous le nom de ZS7.
Les trous noirs massifs qui accumulent activement de la matière présentent des caractéristiques spectrographiques distinctives qui permettent aux astronomes de les identifier. Pour les galaxies très lointaines, comme celles de cette étude, ces signatures sont inaccessibles depuis le sol et ne peuvent être vues qu'avec Webb.
"Nous avons trouvé des preuves de la présence d'un gaz très dense avec des mouvements rapides à proximité du trou noir, ainsi que d'un gaz chaud et hautement ionisé éclairé par le rayonnement énergétique généralement produit par les trous noirs lors de leurs épisodes d'accrétion", a expliqué l'auteur principal Hannah Übler de l'étude. Université de Cambridge au Royaume-Uni. "Grâce à la netteté sans précédent de ses capacités d'imagerie, Webb a également permis à notre équipe de séparer spatialement les deux trous noirs."
L’équipe a découvert que l’un des deux trous noirs avait une masse 50 millions de fois supérieure à celle du Soleil. "La masse de l'autre trou noir est probablement similaire, bien qu'elle soit beaucoup plus difficile à mesurer car ce deuxième trou noir est enfoui dans un gaz dense", a expliqué Roberto Maiolino, membre de l'équipe de l'Université de Cambridge et de l'University College London au Royaume-Uni.
"Nos résultats suggèrent que la fusion est une voie importante par laquelle les trous noirs peuvent se développer rapidement, même à l'aube cosmique", a expliqué Hannah. "Avec d'autres découvertes de Webb sur des trous noirs actifs et massifs dans l'Univers lointain, nos résultats montrent également que les trous noirs massifs ont façonné l'évolution des galaxies depuis le tout début."
L'équipe note qu'une fois les deux trous noirs fusionnés, ils généreront également des ondes gravitationnelles [1]. Des événements comme celui-ci seront détectables grâce à la prochaine génération d'observatoires d'ondes gravitationnelles, comme la prochaine mission d'antenne spatiale à interféromètre laser (LISA), qui a récemment été approuvée par l'Agence spatiale européenne et sera le premier observatoire spatial dédié à l'étude des ondes gravitationnelles.
"Les résultats de Webb nous indiquent que les systèmes plus légers détectables par LISA devraient être beaucoup plus fréquents qu'on ne le pensait auparavant", a déclaré Nora Luetzgendorf, scientifique principale du projet LISA, de l'Agence spatiale européenne aux Pays-Bas. « Cela nous obligera très probablement à ajuster nos modèles pour les taux LISA dans cette plage de masse. Ce n’est que la pointe de l’iceberg. »
Cette découverte résulte d'observations effectuées dans le cadre du programme Galaxy Assembly avec NIRSpec Integral Field Spectroscopy. L'équipe a récemment reçu un nouveau grand programme dans le cycle 3 d'observations de Webb, pour étudier en détail la relation entre les trous noirs massifs et leurs galaxies hôtes au cours du premier milliard d'années. Un élément important de ce programme consistera à rechercher et caractériser systématiquement les fusions de trous noirs. Cette étude déterminera la vitesse à laquelle la fusion des trous noirs se produit aux premières époques cosmiques et évaluera le rôle de la fusion dans la croissance précoce des trous noirs et la vitesse à laquelle les ondes gravitationnelles sont produites depuis la nuit des temps.
Remarques
[1] Les ondes gravitationnelles sont des ondulations invisibles dans la structure de l’espace-temps. L'espace-temps est une quantité à quatre dimensions, décrite par la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui fusionne l'espace tridimensionnel avec le temps. La masse déforme l'espace-temps, et la gravité est en fait le résultat de la courbure de l'espace-temps par la masse d'un objet. Les ondulations dans l’espace-temps sont créées par le mouvement de tout objet ayant une masse, et elles sont connues sous le nom d’ondes gravitationnelles. Les ondes gravitationnelles traversent constamment la Terre de façon inaperçues et sont causées par certains des événements les plus violents et les plus énergétiques de l’Univers. Il s'agit notamment des collisions de trous noirs, de l'effondrement des noyaux stellaires, de la fusion d'étoiles à neutrons ou d'étoiles naines blanches, de l'oscillation d'étoiles à neutrons qui ne sont pas des sphères parfaites et peut-être même des restes de rayonnement gravitationnel créé à la naissance de l'Univers.
Plus d'informations
Webb est le télescope le plus grand et le plus puissant jamais lancé dans l'espace. Dans le cadre d'un accord de collaboration internationale, l'ESA a assuré le service de lancement du télescope, à l'aide du lanceur Ariane 5. En collaboration avec des partenaires, l'ESA était responsable du développement et de la qualification des adaptations d'Ariane 5 pour la mission Webb et de l'acquisition du service de lancement par Arianespace. L'ESA a également fourni le spectrographe NIRSpec et 50 % de l'instrument infrarouge moyen MIRI, conçu et construit par un consortium d'instituts européens financés au niveau national (le Consortium européen MIRI) en partenariat avec le JPL et l'Université de l'Arizona.
Webb est un partenariat international entre la NASA, l'ESA et l'Agence spatiale canadienne (ASC).
