Une équipe d’astronomes dirigée par l’Université de l’Arizona a observé un quasar lumineux à 13,03 milliards d’années-lumière de la Terre – le quasar le plus éloigné jamais découvert. Datant de 670 millions d’années après le Big Bang, lorsque l’univers n’avait que 5% d’âge, le quasar héberge un trou noir supermassif équivalent à la masse combinée de 1,6 milliard de soleils.

En plus d’être le quasar connu le plus éloigné – et donc le plus proche -, l’objet est le premier du genre à montrer des preuves de vents provenant de gaz extrêmement chauds s’échappant de la périphérie du trou noir à un cinquième de la vitesse de la lumière. En plus de révéler des vents forts propulsés par le quasar, les nouvelles observations montrent également une intense activité de formation d’étoiles dans la galaxie hôte où se trouve le quasar, officiellement nommé J0313-1806.

Les chercheurs présenteront leurs résultats, qui ont été acceptés pour publication dans Les lettres du journal astrophysique, Au cours d’une conférence de presse et d’une conversation savante lors de la 237e réunion de l’American Astronomical Society, qui aura lieu environ du 11 au 15 janvier.

Le précédent record parmi les quasars a été découvert dans l’univers infantile il y a trois ans. L’équipe UArizona a également contribué à cette découverte. On pense que les quasars sont causés par la supermasse trous noirs La matière environnante, comme le gaz ou même les étoiles, est entièrement dévorée, provoquant un tourbillon de matière extrêmement chaude connue sous le nom de disque d’accrétion en orbite autour du trou noir. En raison des énormes énergies impliquées, les quasars sont parmi les sources les plus brillantes de l’univers, dépassant souvent les galaxies hôtes.

Bien que J0313-1806 soit à 20 millions d’années-lumière du précédent détenteur du record, le nouveau quasar contient Un trou noir supermassif Un poids insuffisant Cela représente une avancée majeure en cosmologie, car il constitue la contrainte la plus forte à ce jour sur la formation de trous noirs dans l’univers primitif.

« C’est la première preuve de la façon dont un trou noir supermassif affecte la galaxie hôte qui l’entoure », a déclaré l’auteur principal Vig Wang, un collègue Hubble au Steward Observatory de l’Arizona. « D’après les observations de galaxies moins éloignées, nous savons que cela devrait arriver, mais nous ne l’avons pas vu très tôt dans l’univers. »

Les quas stars ont déjà collecté des millions, voire des milliards Masses solaires Dans leurs trous noirs à une époque où l’univers était très petit, cela pose un défi aux scientifiques qui tentent d’expliquer comment ils sont apparus alors qu’ils avaient à peine le temps de le faire. L’explication généralement acceptée de la formation d’un trou noir comprend l’explosion d’une étoile de supernova à la fin de sa vie et son effondrement dans un trou noir. Lorsque de tels trous noirs fusionnent au fil du temps, ils pourraient – en théorie – se transformer en trous noirs supermassifs. Cependant, c’est à peu près la même chose que la constitution d’un fonds de pension en hachant un dollar chaque année nécessite plusieurs âges. Univers primitif Ils sont un peu comme des enfants de millionnaires; Ils doivent avoir gagné leur masse par d’autres moyens.

Le quasar nouvellement découvert fournit une nouvelle norme en excluant deux modèles actuels de la façon dont les trous noirs supermassifs se forment dans des périodes aussi courtes. Dans la première forme, Énormes étoiles Largement composées d’hydrogène et dépourvues de la plupart des autres éléments qui constitueront plus tard les étoiles, y compris les minéraux, elles forment la première génération d’étoiles d’une jeune galaxie et fournissent de la nourriture à un trou noir émergent. Le deuxième modèle comprend des amas d’étoiles denses qui s’effondrent dans un trou noir supermassif dès le départ.

Cependant, Quasar J0313-1806 abrite un trou noir si massif qu’il ne peut pas être expliqué par les scénarios ci-dessus, selon l’équipe qui l’a découvert. L’équipe a calculé que si un trou noir se formait en son centre tôt et remontait à 100 millions d’années après le Big Bang et se développait aussi vite qu’il le pouvait, alors il devrait encore avoir au moins 10000 masses solaires.

«Cela vous indique que quoi que vous fassiez, la graine de ce trou noir aurait dû se former par un mécanisme différent», a déclaré le co-auteur Xiaohui Fan, professeur régent et coprésident du département d’astronomie de l’Arizona. « Dans ce cas, celui contenant des quantités massives d’hydrogène primordial froid s’effondre directement dans un trou noir de graines. »

Étant donné que ce mécanisme ne nécessite pas d’étoiles pleines comme matière première, c’est le seul qui permet au trou noir supermassif quasar J0313-1806 de croître jusqu’à 1,6 milliard de masses solaires à un moment aussi précoce dans l’univers. C’est ce qui rend le nouveau quasar standard si précieux, a expliqué Fan.

« Une fois que nous sommes passés aux redshifts inférieurs, tous les modèles peuvent expliquer l’existence de ces quasars moins éloignés et moins massifs », a-t-il déclaré. « Pour qu’un trou noir atteigne la taille que nous voyons avec J0313-1806, il doit commencer par un trou noir avec une graine d’au moins 10 000 masses solaires, et cela ne serait possible que dans un scénario d’effondrement direct. »

Le quasar nouvellement découvert semble offrir un rare aperçu de la vie des galaxies à l’aube de l’univers, alors que de nombreux processus de formation de galaxies qui ont ralenti ou se sont arrêtés depuis dans des galaxies qui existent depuis plus longtemps étaient encore à leur apogée. .

Selon les modèles actuels d’évolution des galaxies, les trous noirs supermassifs se développant dans leurs centres pourraient être la principale raison pour laquelle les galaxies cessent finalement de former de nouvelles étoiles. Les quasars agissent comme un chalumeau de dimensions cosmiques, alors que leur environnement explose férocement, nettoyant efficacement leur galaxie hôte d’une grande partie du gaz froid qui sert de matière première aux étoiles.

« Nous pensons que ces trous noirs supermassifs ont été la raison pour laquelle de nombreuses grandes galaxies ont cessé de former des étoiles à un moment donné », a déclaré Fan. Nous observons ce «refroidissement» à de faibles décalages vers le rouge, mais jusqu’à présent, nous ne savions pas quand ce processus a commencé si tôt dans l’histoire de l’univers.Ce quasar est la première preuve que le refroidissement a pu se produire très tôt.

En mesurant la luminosité du quasar, l’équipe de Wang a calculé que le trou noir supermassif en son centre avale l’équivalent de 25 soleils chaque année, en moyenne, ce qui serait la principale cause des vents de plasma chaud à grande vitesse soufflant dans la galaxie qui l’entoure à une vitesse relative. A titre de comparaison, le trou noir au centre de la Voie lactée dort désormais principalement.

Et pendant que la Voie lactée se forme étoiles À un rythme élégant d’environ une masse solaire par an, J0313-1806 produit 200 masses solaires au cours de la même période.

« Il s’agit d’un taux de formation d’étoiles relativement élevé, similaire à ce qui a été observé dans d’autres quasars d’âge similaire », nous dit-il. La galaxie hôte « Il se développe très rapidement », a déclaré Wang.

« On suppose que ces quasi-stars construisent toujours leurs trous noirs supermassifs », a ajouté Fan. «Avec le temps, l’écoulement du quasar se réchauffe et pousse tout le gaz hors de la galaxie, puis le trou noir n’a plus rien à manger et il cessera de croître. C’est la preuve de la taille de ces premiers objets. Galaxies Ses quasars grandissent. « 

Les chercheurs s’attendent à trouver une poignée de quasars de la même période, y compris d’éventuels nouveaux nombres records, a déclaré Jenny Yang, deuxième auteur du rapport et collègue de Peter A. Stratmatter au Steward Observatory. Yang et Fan observaient dans le télescope Magellan Paddy de 6,5 mètres de haut à l’observatoire de Las Campanas au Chili la nuit de la découverte J0313-1806.

«Notre enquête quasar couvre un champ très large, ce qui nous permet de surveiller près de la moitié du ciel», a déclaré Yang. « Nous avons sélectionné plus de candidats et nous les suivrons avec des notes plus détaillées. »

Les chercheurs espèrent en savoir plus sur les secrets du quasar grâce à de futures observations, en particulier avec le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est actuellement prévu pour 2021.

« Grâce aux télescopes au sol, nous ne pouvons voir qu’une source ponctuelle », a déclaré Wang. « Des observations futures pourraient permettre de résoudre le quasar plus en détail, et montrer la structure de son écoulement et jusqu’où le vent s’étend dans sa galaxie, et cela devrait nous donner une bien meilleure idée de son stade évolutif. »