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Des observations récentes réalisées avec le télescope spatial James Webb (JWST) révèlent la présence de trois objets étranges et extrêmement massifs dans l’Univers primitif, environ 600 à 800 millions d’années après le Big Bang. Leur signature spectrale correspond à celle d’amas d’étoiles hyperdenses abritant potentiellement des trous noirs supermassifs, ce qui est en contradiction avec ce que l’on pourrait attendre de l’Univers primitif.
En 2022, un groupe d’astrophysiciens a détecté trois objets extrêmement massifs datant de 600 à 800 millions d’années après le Big Bang, alors que l’Univers n’avait que 5 % de son âge actuel. En étudiant leurs spectres, les chercheurs ont détecté des signatures d’étoiles primitives, bien plus anciennes que ce qui devrait normalement être possible dans l’Univers primitif, selon le modèle cosmologique standard.
Ils ont également été surpris de découvrir les signatures de trous noirs extrêmement massifs, entre 100 et 1000 fois plus massifs que le trou noir au centre de notre galaxie. Là encore, les processus de formation des trous noirs et des galaxies selon le modèle cosmologique standard ne concordent pas.
Une invitation au rêve, prête à être portée.
« C’est très déroutant ” Joel Leja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique et co-auteur de l’étude, a déclaré dans un communiqué de presse de la Penn State University. ” Nous pouvons intégrer cela à notre modèle actuel de l’univers, mais seulement si nous parlons d’une formation exotique et incroyablement rapide au début des temps. “, il explique.
En effet, alors que les chercheurs soupçonnaient initialement qu’il s’agissait de galaxies massives et précoces, ce type d’objet ne devrait en fait pas avoir pu se former dans l’Univers primordial. Les processus de rétroaction induits par la formation des étoiles limitent généralement leur fraction de baryons (particules composites constituant la matière visible) bien en dessous de la fraction de baryons cosmiques. Cela signifie que les objets en question seraient à la fois apparus plus tôt que prévu et représenteraient une masse plus importante que prévu.
La nouvelle étude, récemment publiée dans L’astrophysique
Lettres de journals’inscrit dans la continuité de ces recherches, visant à confirmer la véritable nature de ces objets. Les chercheurs ont découvert qu’il s’agit en fait de galaxies proches du début de l’Univers qui semblent abriter de gigantesques trous noirs supermassifs.
« C’était totalement inattendu de retrouver de vieilles étoiles dans un univers aussi jeune. Les modèles standards de cosmologie et de formation des galaxies ont connu un succès incroyable, mais ces objets lumineux ne correspondent pas tout à fait à ces théories. « , explique l’auteur principal de l’étude, Bingjie Wang.
De petites galaxies abritant des trous noirs « supermassifs » ?
Pour réaliser leurs observations et analyses, les chercheurs de la nouvelle étude se sont appuyés sur le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) embarqué à bord du JWST et sur le supercalculateur Roar de l’Institute for Computational and Data Sciences de l’université Penn State. NIRSpec est un spectrographe multi-objets qui permet d’obtenir simultanément les spectres de plus d’une centaine d’objets par champ de vision 3’x3′ avec différentes résolutions.
résolutions spectral. L’instrument peut remonter jusqu’à 13,5 milliards d’années, au début de l’Univers.
Cependant, même avec la résolution de JWST, les analyses spectrales aussi loin dans l’Univers constituent un défi majeur, car il est difficile de distinguer avec précision les objets sources. Les trois objets étudiés par l’équipe présentent clairement les caractéristiques des trous noirs supermassifs et des étoiles massives anciennes. Cependant, on ne sait pas exactement quelle fraction de la lumière observée provient de chacune des deux composantes. Autrement dit, il est difficile de faire la différence entre la lumière provenant du disque d’accrétion du trou noir et celle émise par les étoiles qui composent les objets étudiés.
Selon les chercheurs, les données indiquent qu’il pourrait s’agir soit de galaxies primitives, extrêmement massives, qui se sont formées bien plus tôt que ce que prédisent les modèles, soit de galaxies de masse standard avec des trous noirs « supermassifs » (ou « trous noirs surmassifs ») environ 100 à 1 000 fois plus massifs que ceux d’une galaxie de taille équivalente.
L’incapacité à différencier les données actuelles laisse une grande place à l’interprétation de ces objets intrigants. « , dit Wang.
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À gauche : sources détectées par le continuum avec ruptures de Balmer (mesurant la luminosité totale émise par les étoiles massives), représentées par des losanges solides sur le plan couleur. À droite : images couleur des trois sources détectées par ruptures de Balmer, avec les couleurs des caméras JWST/NIRCam F115W, F277W et F444W. Elles sont remarquablement compactes aux longueurs d’onde rouges, avec quelques signes de structure spatiale aux longueurs d’onde bleues. © Bingjie Wang et al.
Populations stellaires extrêmement denses
Si une partie de la lumière provient effectivement de trous noirs supermassifs, il ne s’agirait pas non plus de trous noirs supermassifs classiques. En effet, ils produisent beaucoup plus de photons ultraviolets que la normale. D’autres objets aux caractéristiques photoniques similaires ont déjà été détectés, mais ils ne présentent pas les propriétés d’un trou noir supermassif.
En revanche, le plus surprenant serait leur masse incroyablement élevée, selon les chercheurs. Normalement, les galaxies et les trous noirs supermassifs situés en leur centre évoluent ensemble tout au long de leur vie. Cependant, les trous noirs détectés par les chercheurs semblent se trouver au centre de petites galaxies même si elles ont atteint leur maturité et semblent complètement formées. ” Cela n’a pas vraiment de sens, car ces objets devraient évoluer ensemble, ou du moins c’est ce que nous pensions », estime Leja.
De plus, les populations stellaires y sont si denses qu’elles n’ont pu se former que dans des conditions particulièrement exotiques pour l’époque. Si cette densité stellaire était transposée à notre galaxie, l’étoile la plus proche de la Terre se trouverait dans notre système solaire, tandis que le trou noir supermassif en son centre ne serait qu’à 26 années-lumière (contre 26 000 années-lumière en réalité) et serait visible dans le ciel sous la forme d’un gigantesque pilier de lumière. De plus, ces galaxies intrigantes semblent spécifiques à l’Univers primitif, car leur formation s’est apparemment arrêtée après seulement quelques milliards d’années pour une raison mystérieuse.
Dans un avenir proche, les chercheurs prévoient d’étendre leurs observations en pointant le télescope vers ces objets pendant des périodes prolongées. Cela leur permettrait de confirmer s’il s’agit de galaxies primitives extrêmement massives ou de galaxies de masse normale avec des trous noirs « supermassifs ».
