Le télescope spatial James Webb (JWST) continue de repousser les limites de notre compréhension de l’univers. En septembre 2022, une équipe internationale dirigée par l’Institut National d’Astrophysique (INAF) en Italie a utilisé le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) à bord du JWST pour observer une interaction spectaculaire entre un quasar et deux galaxies satellites massives dans l’univers lointain, au niveau du système PJ308-21. L’équipe présenta la découverte lors de la réunion de la Société Astronomique Européenne en juillet 2024.
Les données ont été obtenues en septembre 2022 dans le cadre du programme 1554, l’un des neuf projets dirigés par l’Italie du premier cycle d’observation du JWST. Ces nouvelles données permettent de mieux comprendre la croissance des galaxies et l’activité des trous noirs supermassifs au cours des premiers milliards d’années de l’univers. Elles offrent des détails sans précédent sur la dynamique et la composition chimique de ces objets célestes.
Observations et découvertes d’une fusion de quasar
Les observations du système PJ308-21 ont révélé des détails époustouflants grâce à la précision du spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) du télescope spatial James Webb. Ce système se situe dans l’univers lointain, observé à un décalage vers le rouge de 6,2342, correspondant à moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
Ici le spectre du quasar, un type de noyau galactique extrêmement lumineux, a été capturé avec une précision impressionnante. Il affiche une incertitude inférieure à 1% par pixel. Ce quasar se trouve dans une galaxie hôte caractérisée par une forte métallicité. En d’autres termes, on trouve une abondance élevée d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Il y existe également des conditions de photo-ionisation typiques d’un noyau galactique actif (AGN). Cette photo-ionisation est le résultat de l’énergie intense émise par le quasar. Ce dernier ionise le gaz environnant, révélant ainsi la dynamique énergétique de cette région de l’univers primitif.
En revanche, les galaxies satellites du système PJ308-21 présentent des caractéristiques distinctes. L’une des galaxies satellites montre une faible métallicité. Cette mesure indique une abondance relativement basse d’éléments lourds, et une photo-ionisation principalement induite par la formation d’étoiles. Cela suggère que cette galaxie est en phase de formation active.
Elle produit de nouvelles étoiles enrichissant progressivement son milieu interstellaire en métaux. La seconde galaxie satellite, quant à elle, possède une métallicité plus élevée et est partiellement photoionisée par le quasar central. Cette interaction complexe entre le quasar et ses galaxies satellites met en lumière la diversité des processus physiques en jeu dans l’évolution des galaxies et leur environnement.
Implications pour l’évolution cosmique
Cette découverte a permis aux astronomes de déterminer la masse du trou noir supermassif au centre du système PJ308-21. Il se trouve estimé à environ 2 milliards de masses solaires. Ces résultats montrent que les trous noirs et leurs galaxies hôtes connaissent une croissance extrêmement rapide et tumultueuse, même dans les premiers milliards d’années de l’univers. Roberto Decarli, chercheur à l’INAF et auteur principal de l’étude, explique : « Notre étude révèle que les trous noirs au centre des quasars à haut redshift et les galaxies qui les abritent connaissent une croissance extrêmement efficace et tumultueuse dès le premier milliard d’années de l’histoire cosmique ».
Ces résultats suggèrent que les modèles actuels de l’évolution des galaxies et de la métallicité cosmique doivent être révisés. En effet, la présence d’un trou noir de cette taille dans une galaxie aussi jeune implique des mécanismes de croissance très efficaces. Des processus de fusion et d’accrétion de matière à des rythmes plus élevés que prévu doivent probablement les alimenter. Cette croissance rapide et l’abondance de métaux observée dans le système PJ308-21 indiquent que la métallicité, ou la richesse en éléments lourds, des galaxies peut évoluer beaucoup plus rapidement que ce que les modèles traditionnels prévoient.
Techniques et méthodologie
L’observation du système PJ308-21 a été réalisée en utilisant la spectroscopie à champ intégral. Il s’agit d’une technique permettant d’analyser le spectre lumineux de chaque pixel d’une image. Cette méthode offre une vision tridimensionnelle des objets célestes. En effet, elle capture non seulement l’intensité lumineuse, mais aussi sa distribution spectrale à travers l’ensemble de la bande optique. En raison de l’expansion de l’univers, cette lumière est décalée vers l’infrarouge. Ceci nécessite donc des instruments extrêmement sensibles comme le spectrographe NIRSpec du télescope spatial James Webb. Cette technique est particulièrement efficace pour détecter les émissions de différents éléments chimiques. Elle permet ainsi d’explorer en détail les propriétés du milieu interstellaire ionisé dans les galaxies lointaines.
Federica Loiacono, astrophysicienne et postdoctorante à l’INAF, souligne : « Grâce à NIRSpec, nous pouvons pour la première fois étudier dans le système PJ308-21 la bande optique, riche en données diagnostiques précieuses sur les propriétés du gaz près du trou noir et dans les galaxies environnantes ». L’utilisation de NIRSpec a permis de cartographier les émissions d’hydrogène et d’oxygène. Cela informe de fait sur la composition chimique, la température, la densité électronique et le taux de formation d’étoiles dans ces galaxies. Cette technologie permet également de différencier les sources de photo-ionisation. On peut ainsi savoir si elles sont induites par la formation d’étoiles ou par l’activité d’un noyau galactique actif. Alors, la spectroscopie à champ intégral, combinée à la sensibilité du JWST, ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude détaillée des galaxies dans l’univers lointain.
Source : Roberto Decarli et al., “A quasar-galaxy merger at z~6.2: Rapid host growth via the accretion of two massive satellite galaxies”, Astronomy & Astrophysics (2024)
Image de couverture :
Carte des raies d’émission d’hydrogène (en rouge et bleu) et d’oxygène (en vert) dans le système PJ308-21. Affichage après masquage de la lumière du quasar central (« QSO »). Les différentes couleurs de la galaxie hôte et des galaxies compagnes du quasar sur cette carte révèlent les propriétés physiques du gaz qu’elles contiennent. © Decarli/INAF/A&A 2024
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