Une découverte de la NASA apporte un nouvel éclairage sur les origines des trous noirs supermassifs

Les astronomes ont trouvé le rayon X le plus éloigné trou noirremettant en question notre compréhension de la formation des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif.

Les astronomes utilisent NASA des télescopes ont découvert le trou noir le plus éloigné observé à ce jour en rayons X. Le trou noir se trouve à un stade précoce de croissance jamais observé auparavant, où sa masse est similaire à celle de sa galaxie hôte.

Ce résultat pourrait expliquer comment se sont formés certains des premiers trous noirs supermassifs de l’univers.

Combinaison des données Chandra et Webb

En combinant les données de l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA et du télescope spatial James Webb de la NASA, une équipe de chercheurs a pu trouver la signature révélatrice d’un trou noir en croissance seulement 470 millions d’années après l’apparition d’un trou noir. Big Bang.

« Nous avions besoin de Webb pour trouver cette galaxie remarquablement lointaine et de Chandra pour trouver son trou noir supermassif », a déclaré Akos Bogdan du Centre d’astrophysique | Harvard et Smithsonian (CfA) qui dirige un nouvel article dans la revue Astronomie naturelle décrivant ces résultats. « Nous avons également profité d’une loupe cosmique qui a augmenté la quantité de lumière détectée. » Cet effet grossissant est connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

Les astronomes ont découvert le trou noir le plus éloigné jamais détecté en rayons X (dans une galaxie appelée UHZ1) grâce aux télescopes spatiaux Chandra et Webb. L’émission de rayons X est une signature révélatrice d’un trou noir supermassif en pleine croissance. Ce résultat pourrait expliquer comment se sont formés certains des premiers trous noirs supermassifs de l’univers. Ces images montrent l’amas de galaxies Abell 2744 derrière lequel se trouve UHZ1, dans les données infrarouges de Chandra et Webb, ainsi que des gros plans de la galaxie hôte du trou noir, UHZ1. Crédit : Radiographie : NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán ; Infrarouge : NASA/ESA/CSA/STScI ; Traitement d’images : NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand

Mesures de distance et effets de lentille

Bogdan et son équipe ont découvert le trou noir dans une galaxie nommée UHZ1 se dirigeant vers l’amas de galaxies Abell 2744, situé à 3,5 milliards d’années-lumière de la Terre. Les données Webb ont cependant révélé que la galaxie est beaucoup plus éloignée que l’amas, à 13,2 milliards d’années-lumière de la Terre, alors que l’univers n’avait que 3 % de son âge actuel.

Ensuite, plus de deux semaines d’observations avec Chandra ont montré la présence d’un gaz intense et surchauffé émettant des rayons X dans cette galaxie – une caractéristique d’un trou noir supermassif en croissance. Lumière de la galaxie et de Chandra pour détecter la faible source de rayons X.

Implications pour la formation de trous noirs

Cette découverte est importante pour comprendre comment certains trous noirs supermassifs peuvent atteindre des masses colossales peu après le Big Bang. Se forment-ils directement à partir de l’effondrement d’énormes nuages ​​de gaz, créant des trous noirs pesant entre 10 000 et 100 000 Soleils ? Ou bien proviennent-ils des explosions des premières étoiles qui créent des trous noirs pesant seulement environ 10 à 100 Soleils ?

« Il existe des limites physiques à la rapidité avec laquelle les trous noirs peuvent se développer une fois formés, mais ceux qui naissent plus massifs ont une longueur d’avance. C’est comme planter un jeune arbre, qui prend moins de temps pour devenir un arbre de taille réelle que si vous commenciez avec juste une graine », a déclaré Andy Goulding de université de Princeton. Goulding est co-auteur de l’article Nature Astronomy et auteur principal d’un nouvel article dans The Lettres de revues astrophysiques qui rapporte la distance et la masse de la galaxie à l’aide d’un spectre Webb.

Illustration : Formation d’un trou noir à graines lourdes suite à l’effondrement direct d’un énorme nuage de gaz. Crédit : NASA/STScI/Leah Hustak

Preuve d’un trou noir « né massif »

L’équipe de Bogdan a trouvé des preuves irréfutables que le trou noir nouvellement découvert était né massif. Sa masse est estimée entre 10 et 100 millions de Soleils, sur la base de la luminosité et de l’énergie des rayons X. Cette plage de masse est similaire à celle de toutes les étoiles de la galaxie où elle vit, ce qui contraste fortement avec les trous noirs au centre des galaxies de l’univers proche, qui ne contiennent généralement qu’environ un dixième de pour cent de leur masse. . les étoiles de la galaxie hôte.

La grande masse du trou noir à un jeune âge, ainsi que la quantité de rayons X qu’il produit et la luminosité de la galaxie détectée par Webb, sont toutes en accord avec les prédictions théoriques faites en 2017 par le co-auteur Priyamvada Natarajan de Université de Yale pour un « trou noir disproportionné » directement formé à partir de l’effondrement d’un énorme nuage de gaz.

« Nous pensons qu’il s’agit de la première détection d’un ‘énorme trou noir’ et de la meilleure preuve que certains trous noirs se forment à partir d’énormes nuages ​​de gaz », a-t-il déclaré. » dit Natarajan. « Pour la première fois, nous assistons à une brève étape au cours de laquelle un trou noir supermassif pèse à peu près autant que les étoiles de sa galaxie, avant de prendre du retard. »

Recherches futures et efforts de collaboration

Les chercheurs prévoient d’utiliser ces résultats ainsi que d’autres résultats de Webb et ceux combinant les données d’autres télescopes pour dresser un tableau plus large de l’univers primitif.

de la NASA Le télescope spatial Hubble ont déjà montré que la lumière provenant de galaxies lointaines est fortement amplifiée par la matière présente dans l’amas de galaxies intermédiaire, ce qui explique en partie les observations de Webb et Chandra décrites ici.

L’article décrivant les résultats de l’équipe de Bogdan paraît dans Astronomie naturelle. Outre ceux mentionnés ci-dessus, les auteurs incluent Orsolya Kovacs (Université Masaryk, République tchèque), Grant Tremblay (CfA), Urmila Chadayammuri (CfA), Marta Volonteri (Institut d’Astrophysique de Paris, France), Ralph Kraft (CfA), William Forman. (CfA), Christine Jones (CfA), Eugene Churazov (Institut Max Planck d’astrophysique, Allemagne) et Irina Zhuravleva (Université de Chicago).

Les données Webb utilisées dans les deux articles font partie d’une enquête appelée Ultradeep Nirspec et nirCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER). L’article dirigé par Andy Goulding, membre de l’équipe UNCOVER, paraît dans le Lettres de revues astrophysiques. Les co-auteurs comprennent d’autres membres de l’équipe UNCOVER, ainsi que Bogdan et Natarajan. Un article interprétatif détaillé comparant les propriétés observées d’UHZ1 avec des modèles théoriques pour des galaxies à trous noirs surdimensionnés est à paraître.

Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le Chandra X-ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory contrôle les opérations scientifiques depuis Cambridge, dans le Massachusetts, et les opérations aériennes depuis Burlington, dans le Massachusetts.

LE Télescope spatial James Webb est le premier observatoire des sciences spatiales au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sonde les structures mystérieuses et les origines de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.