Le télescope spatial James-Webb a pris le relais du télescope Hubble. Il permet de revisiter certaines de ses observations en les montrant sous un jour nouveau. C'est le cas aujourd'hui avec un quasar qui se révèle au cœur d'un proto-amas de galaxies en formation. Bien qu'observé tel qu'il était il y a 11,5 milliards d'années, il devrait aider à comprendre ce qui s'est passé avec les premiers trous noirs supermassifs et la formation des galaxies, il y a plus de 13 milliards d'années.

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La théorie du Big Bang est devenue incontournable en cosmologie, comme l’est l’héliocentrisme. Elle n’affirme toutefois que notre Univers observable était plus chaud, plus dense et sans atomes et encore moins d’étoiles et de galaxies il y a environ 13,8 milliards d’années. Ensuite, que ce soit en raison de la présence de particules de matière noire ou des caractéristiques d’une théorie relativiste de la gravitation différente de celle d’Einstein, les étoiles et les galaxies vont se former en accord avec le scénario qu’expose la vidéo du CEA ci-dessous. Il n'est pas question d'un début absolu dans le temps ou d'une expansion de tout l'espace.

On ne comprend pas encore très bien ce qui s’est passé pendant les premiers 500 millions d’années de notre cosmos mais, grâce au télescope James-Webb qui a pris le relais de Hubble pour plonger plus profondément dans les strates de lumière de l’Univers observable, nous commençons à explorer cette Terre Incognita. Parmi les dernières avancées dans ce voyage dans l’espace-temps, une équipe d’astronomes vient de faire savoir qu’elle avait fait des observations étonnantes en ce qui concerne un quasar lointain dont les photons ont mis environ 11,5 milliards d’années pour nous parvenir malgré l’expansion de l’Univers entre cet astre et la Voie lactée d’aujourd’hui.

Techniquement, dans un catalogue déjà dressé avec le Sloan Digital Sky Survey (SDSS, qui est un programme de relevés des objets célestes qui utilise un télescope de 2,5 mètres de diamètre observant dans le visible, situé à l'observatoire d'Apache Point aux USA) et démarré en 2000, le quasar en question se nomme SDSS J165202.64+172852.3 et c’est de lui dont on parle aujourd’hui en relation avec le JWST dans un article sur arXiv.


Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Les quasars « rouges »

Rappelons que les Quasi-Stellar Radio Sources (les quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu) ont été découverts au début des années 1960 sous forme de sources radio, puis en trouvant leur contrepartie dans le visible qui apparaissait semblable à des étoiles. Mais l'étude de leur décalage spectral vers le rouge montrant qu'elles devaient être à des milliards d'années-lumière, il devait s'agir d'astres incroyablement lumineux, bien trop pour une simple étoile, au moins 5 millions de millions de fois plus que le Soleil, ou, présenté d'une autre façon, 1 000 fois la luminosité des centaines de milliards d'étoiles de notre Voie lactée !

Nous savons aujourd’hui qu’il s’agit de trous noirs supermassifs en rotation accrétant de très importantes quantités de matière selon divers scénarios possibles, par exemple via des filaments de matière noire froide.

Certes, observé tel qu’il était il y a 11,5 milliards d’années, SDSS J165202.64+172852.3 est encore dans le territoire qui est accessible aux observations de Hubble et même du VLT sur Terre, mais les nouvelles observations avec le James-Webb nous le montrent avec une résolution accrue et nous permettent d’en apprendre plus sur ce qui s’est passé dans l’Univers primitif : il apparait de plus en plus clair maintenant que ce quasar est au cœur d’un proto-amas de galaxies en formation selon des processus qui devaient déjà être à l’œuvre il y a moins de 500 millions d’années après le Big Bang.

Selon un des scénarios étudiés, les premiers trous noirs supermassifs doivent apparaitre « rougis » (pas seulement par le décalage de leur spectre vers l’infrarouge dû à l’expansion de l’espace pendant le long voyage de leur lumière vers nous) car il sont entourés par énormément de poussières produites par des flambées fiévreuses d’étoiles résultant de fusions récentes de galaxies. C’est un peu plus tard que ces galaxies vont apparaitre comme moins rouges et avec un quasar encore plus lumineux, une fois que de grandes quantités de poussières et de gaz seront éjectées par le souffle du rayonnement des quasars — ce qui finira par stopper la formation d’étoiles en vidant certaines galaxies de leur gaz.


Cet ESOcast porte sur la découverte du quasar le plus éloigné trouvé en 2011. Cette balise brillante est alimentée par un trou noir d'une masse deux milliards de fois celle du Soleil. C'est de loin l'objet le plus brillant jamais découvert dans l'Univers primitif le 29 juin 2011. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

Quatre galaxies en interaction proche

SDSS J165202.64+172852.3 est un exemple de quasars « rouges » plus récents que ceux de l’Univers primitif et qui peut tout de même servir à tester les scénarios avancés sur les trous noirs supermassifs en relation avec la fameuse époque de la ré-ionisation. Particulièrement lumineux dans l’infrarouge, ils sont des cibles de choix pour le JWST équipé d’un spectrographe proche infrarouge (NIRSpec), ce qui permet non seulement d’identifier des éléments chimiques mais aussi de mesurer par effet Doppler les vitesses des distributions de matière associées au quasar, par exemple, grâce aux raies de l'oxygène ionisé dans les spectres formés avec NIRSpec.

De précédentes observations avec Hubble et sur Terre avec le télescope Gemini-North avaient laissé penser que, derrière SDSS J165202.64 + 172852.3, se trouvaient deux galaxies en interaction mais celles du télescope James-Webb suggèrent fortement aujourd’hui qu’il y a trois galaxies en interaction avec la galaxie du quasar (incidemment, on connaissait déjà des exemples de quasars triples) et partageant des courants de gaz et d’étoiles.

Le quasar SDSS J165202.64+172852.3 est mis en évidence sur une image du télescope spatial Hubble de la Nasa/ESA en visible et proche infrarouge à gauche. Les images au centre et à droite présentent de nouvelles observations du télescope spatial Nasa/ESA/CSA James-Webb dans plusieurs longueurs d'onde. L'image au centre est composée de quatre images réalisées avec l'instrument NIRSpec. Les quatre images montrent des émissions extrêmement décalées vers le rouge provenant de l'oxygène doublement ionisé qui a une raie d'émission autour de 500 nm en lumière visible. Les panneaux de droite présentent séparément les quatre images. Plus la couleur est rouge, plus le gaz s'éloigne rapidement de notre ligne de visée avec le quasar, tandis que plus la couleur est bleue, plus il s'éloigne rapidement du quasar vers nous. © ESA/Webb, Nasa & CSA, D. Wylezalek, A. Vayner & the Q3D Team, N. Zakamska
Le quasar SDSS J165202.64+172852.3 est mis en évidence sur une image du télescope spatial Hubble de la Nasa/ESA en visible et proche infrarouge à gauche. Les images au centre et à droite présentent de nouvelles observations du télescope spatial Nasa/ESA/CSA James-Webb dans plusieurs longueurs d'onde. L'image au centre est composée de quatre images réalisées avec l'instrument NIRSpec. Les quatre images montrent des émissions extrêmement décalées vers le rouge provenant de l'oxygène doublement ionisé qui a une raie d'émission autour de 500 nm en lumière visible. Les panneaux de droite présentent séparément les quatre images. Plus la couleur est rouge, plus le gaz s'éloigne rapidement de notre ligne de visée avec le quasar, tandis que plus la couleur est bleue, plus il s'éloigne rapidement du quasar vers nous. © ESA/Webb, Nasa & CSA, D. Wylezalek, A. Vayner & the Q3D Team, N. Zakamska

Les mouvements de matière que l’on a cartographiés ont finalement permis de conclure que SDSS J165202.64 + 172852.3 faisait en fait partie d'un nœud dense de formation de galaxies, plus précisément un proto-amas de galaxies.

« Il existe peu de proto-amas de galaxies connus à cette époque. Il est difficile de les trouver, et très peu ont eu le temps de se former depuis le Big Bang. Cela pourrait éventuellement nous aider à comprendre comment évoluent les galaxies dans des environnements denses… C'est un résultat passionnant », explique dans un communiqué l'astronome Dominika Wylezalek de l'Université de Heidelberg en Allemagne, qui a dirigé l'étude de ce quasar.

Le même communiqué explique que les trois galaxies autour du quasar sont en orbite à des vitesses incroyablement élevées, ce qui indique qu'une grande quantité de masse est présente. En raison de la présence de cette masse combinée à la proximité avec laquelle les galaxies sont entassées dans la région autour de ce quasar, l'équipe pense que cela révèle l'une des zones de formation de galaxies les plus denses connues dans l'Univers primordial. « Même un nœud dense de matière noire ne suffit pas à l'expliquer. Nous pensons que nous pourrions voir une région où deux halos massifs de matière noire fusionnent », explique Wylezalek.