High Redshift Quasar et Companion Galaxy

L’illustration de cet artiste représente deux galaxies qui existaient au cours du premier milliard d’années de l’univers. La plus grande galaxie à gauche abrite un quasar brillant en son centre, dont la lueur est alimentée par de la matière chaude entourant un trou noir supermassif. Les scientifiques calculent que la résolution et la sensibilité infrarouge du futur télescope spatial James Webb de la NASA lui permettront de détecter une galaxie hôte poussiéreuse comme celle-ci malgré le faisceau du projecteur du quasar. Crédit: J. Olmsted (STScI)

Les observations de Webb chercheront les galaxies poussiéreuses des premiers milliards d’années de l’univers.

Les objets les plus brillants de ce jeune univers lointain sont les quasars. Ces balises cosmiques sont alimentées par des trous noirs supermassifs consommant du matériel à un rythme féroce. Les quasars sont si brillants qu’ils peuvent surpasser toute leur galaxie hôte, ce qui rend difficile l’étude de ces galaxies et les comparer à des galaxies sans quasars.

Une nouvelle étude théorique examine dans quelle mesure NASAÀ venir Télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu pour 2021, sera en mesure de séparer la lumière des galaxies hôtes du quasar central brillant. Les chercheurs ont découvert que Webb pouvait détecter des galaxies hôtes qui existaient à peine 1 milliard d’années après le Big Bang.


Cette vidéo fait un zoom sur une simulation très détaillée de l’univers appelée BlueTides. Tout comme la vidéo emblématique Powers of Ten, chaque étape couvre une distance 10 fois plus petite que la précédente. La première image couvre environ 200 millions d’années-lumière tandis que la quatrième et dernière image ne couvre que 200 000 années-lumière et contient deux galaxies. Les chercheurs ont utilisé cette simulation pour étudier les propriétés des galaxies qui contiennent des quasars – des noyaux galactiques brillants alimentés par l’accroissement des trous noirs supermassifs. Crédit: Y. Ni (Université Carnegie Mellon) et L. Hustak (STScI)

Les quasars sont les objets les plus brillants de l’univers et parmi les plus énergétiques. Ils surpassent des galaxies entières de milliards d’étoiles. Un supermassif trou noir se trouve au cœur de chaque quasar, mais chaque trou noir n’est pas un quasar. Seuls les trous noirs qui se nourrissent le plus voracement peuvent alimenter un quasar. Le matériau tombant dans le trou noir supermassif se réchauffe et fait briller un quasar à travers l’univers comme une balise de phare.

Bien que les quasars soient connus pour résider au centre des galaxies, il a été difficile de dire à quoi ressemblent ces galaxies et comment elles se comparent aux galaxies sans quasars. Le défi est que l’éblouissement du quasar rend difficile, voire impossible, d’extraire la lumière de la galaxie hôte environnante. C’est comme regarder directement dans un phare de voiture et essayer de déterminer à quel type d’automobile il est attaché.

Une nouvelle étude[1] suggère que le télescope spatial James Webb de la NASA, qui devrait être lancé en 2021, sera en mesure de révéler les galaxies hôtes de certains quasars éloignés malgré leurs petites tailles et leur poussière obscurcissante.

Images infrarouges simulées de Webb et Hubble

Ces images simulées montrent comment un quasar et sa galaxie hôte apparaîtront au télescope spatial James Webb de la NASA (en haut) et au télescope spatial Hubble (en bas) à des longueurs d’onde infrarouges de 1,5 et 1,6 microns, respectivement. Le plus grand miroir de Webb fournira une résolution plus de 4 fois supérieure, permettant aux astronomes de séparer la lumière de la galaxie de la lumière écrasante du quasar central. Les images individuelles couvrent environ 2 secondes d’arc dans le ciel, ce qui représente une distance de 36 000 années-lumière avec un décalage vers le rouge de 7. Crédit: M. Marshall (Université de Melbourne)

«Nous voulons savoir dans quel genre de galaxies ces quasars vivent. Cela peut nous aider à répondre à des questions telles que: Comment les trous noirs peuvent-ils devenir si grands si vite? Y a-t-il une relation entre la masse de la galaxie et la masse du trou noir, comme on le voit dans l’univers proche? » a déclaré l’auteur principal Madeline Marshall de l’Université de Melbourne en Australie, qui a mené ses travaux au sein du Centre d’excellence de l’ARC sur l’astrophysique de tous les cieux en 3 dimensions.

Répondre à ces questions est difficile pour plusieurs raisons. En particulier, plus une galaxie est éloignée, plus sa lumière a été étirée sur de plus longues longueurs d’onde par l’expansion de l’univers. En conséquence, la lumière ultraviolette du disque d’accrétion du trou noir ou des jeunes étoiles de la galaxie est déplacée vers des longueurs d’onde infrarouges.

Dans une étude récente[2], les astronomes ont utilisé les capacités du proche infrarouge de la NASA Le télescope spatial Hubble d’étudier les quasars connus dans l’espoir de repérer la lueur environnante de leurs galaxies hôtes, sans détections significatives. Cela suggère que la poussière dans les galaxies obscurcit la lumière de leurs étoiles. Les détecteurs infrarouges de Webb pourront scruter la poussière et découvrir les galaxies cachées.

«Hubble ne va tout simplement pas assez loin dans l’infrarouge pour voir les galaxies hôtes. C’est là que Webb va vraiment exceller », a déclaré Rogier Windhorst de l’Arizona State University à Tempe, co-auteur de l’étude Hubble.

Pour déterminer ce que Webb devrait voir, l’équipe a utilisé une simulation informatique de pointe appelée BlueTides, développée par une équipe dirigée par Tiziana Di Matteo de l’Université Carnegie Mellon de Pittsburgh, en Pennsylvanie.

«BlueTides est conçu pour étudier la formation et l’évolution des galaxies et des quasars au cours du premier milliard d’années de l’histoire de l’univers. Son grand volume cosmique et sa haute résolution spatiale nous permettent d’étudier ces rares hôtes quasar sur une base statistique », a déclaré Yueying Ni de l’Université Carnegie Mellon, qui a dirigé la simulation BlueTides. BlueTides fournit un bon accord avec les observations actuelles et permet aux astronomes de prédire ce que Webb devrait voir.

L’équipe a découvert que les galaxies hébergeant des quasars avaient tendance à être plus petites que la moyenne, ne couvrant qu’environ 1/30 du diamètre du voie Lactée malgré contenir presque autant de masse que notre galaxie. «Les galaxies hôtes sont étonnamment minuscules par rapport à la galaxie moyenne à ce moment-là», a déclaré Marshall.

Les galaxies de la simulation avaient également tendance à former des étoiles rapidement, jusqu’à 600 fois plus vite que le taux actuel de formation d’étoiles dans la Voie lactée. «Nous avons constaté que ces systèmes se développent très rapidement. Ils sont comme des enfants précoces – ils font tout très tôt », a expliqué le co-auteur Di Matteo.

L’équipe a ensuite utilisé ces simulations pour déterminer ce que les caméras de Webb verraient si l’observatoire étudiait ces systèmes distants. Ils ont découvert qu’il serait possible de distinguer la galaxie hôte du quasar, bien que cela reste difficile en raison de la petite taille de la galaxie dans le ciel.

“Webb ouvrira l’opportunité d’observer ces galaxies hôtes très éloignées pour la première fois”, a déclaré Marshall.

Ils ont également réfléchi à ce que les spectrographes de Webb pourraient tirer de ces systèmes. Les études spectrales, qui divisent la lumière entrante en ses couleurs ou longueurs d’onde, pourraient révéler la composition chimique de la poussière dans ces systèmes. Apprendre la quantité d’éléments lourds qu’ils contiennent pourrait aider les astronomes à comprendre leur histoire de formation d’étoiles, car la plupart des éléments chimiques sont produits dans les étoiles.

Webb pourrait également déterminer si les galaxies hôtes sont isolées ou non. L’étude Hubble a révélé que la plupart des quasars avaient des galaxies compagnons détectables, mais n’a pas pu déterminer si ces galaxies étaient réellement proches ou s’il s’agissait de superpositions fortuites. Les capacités spectrales de Webb permettront aux astronomes de mesurer les décalages vers le rouge, et donc les distances, de ces galaxies compagnons apparentes pour déterminer si elles sont à la même distance que le quasar.

En fin de compte, les observations de Webb devraient fournir de nouvelles informations sur ces systèmes extrêmes. Les astronomes ont encore du mal à comprendre comment un trou noir pourrait devenir un milliard de fois plus lourd que notre Soleil en seulement un milliard d’années. «Ces grands trous noirs ne devraient pas exister si tôt car il n’ya pas eu assez de temps pour qu’ils deviennent si massifs», a déclaré le co-auteur Stuart Wyithe de l’université de Melbourne.

Les futures études sur les quasars seront également alimentées par les synergies entre plusieurs observatoires à venir. Levés infrarouges avec la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne, ainsi que l’observatoire au sol Vera C. Rubin, une fondation scientifique nationale / installation du Département de l’énergie actuellement en construction à Cerro Pachón, dans le désert d’Atacama au Chili. Les deux observatoires augmenteront considérablement le nombre de quasars éloignés connus. Ces nouveaux quasars seront ensuite examinés par Hubble et Webb pour acquérir une nouvelle compréhension des années de formation de l’univers.

Les références:

  1. «Les galaxies hôtes de z = 7 quasars: prédictions de la simulation BlueTides» par Madeline A Marshall, Yueying Ni, Tiziana Di Matteo, J Stuart B Wyithe, Stephen Wilkins, Rupert A C Croft et Jussi K Kuusisto, 5 octobre 2020, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
    DOI: 10.1093 / mnras / staa2982
  2. «Limites des émissions ultraviolettes des images de repos des hôtes z sime 6 Quasar lumineux infrarouge lointain» par MA Marshall, M. Mechtley, RA Windhorst, SH Cohen, RA Jansen, L. Jiang, VR Jones, JSB Wyithe1, X. Fan , NP Hathi, K. Jahnke, WC Keel, AM Koekemoer, V. Marian, K. Ren, J. Robinson, HJA Röttgering, RE Ryan Jr., E. Scannapieco, DP Schneider, G. Schneider, BM Smith et H. Yan, 27 août 2020, Le journal astrophysique.
    DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abaa4c

La simulation Bluetides (projet PI: Tiziana Di Matteo à l’Université Carnegie Mellon) a été réalisée dans l’installation de calcul en pétascale soutenue Blue Waters, qui est soutenue par la National Science Foundation.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sondera les structures mystérieuses et les origines de notre univers et de notre place dedans. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.