De minuscules objets brillants découverts à l’aube de l’univers déconcertent les scientifiques

Une découverte récente du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA a confirmé que des objets lumineux très rouges précédemment détectés dans l’univers primitif bouleversent les idées reçues sur les origines et l’évolution des galaxies et de leurs trous noirs supermassifs.

Une équipe internationale, dirigée par des chercheurs de Penn State, utilisant l’instrument NIRSpec à bord du JWST dans le cadre de l’enquête RUBIES a identifié trois objets mystérieux dans l’univers primitif, environ 600 à 800 millions d’années après le Big Bang, alors que l’univers ne représentait que 5 % de l’univers. son âge actuel. Ils ont annoncé la découverte aujourd’hui 27 juin à Lettres de journaux astrophysiques.

L’équipe a étudié les mesures spectrales, c’est-à-dire l’intensité des différentes longueurs d’onde de la lumière émise par les objets. Leur analyse a révélé des signatures d’étoiles « vieilles », vieilles de plusieurs centaines de millions d’années, bien plus vieilles que ce que l’on pourrait attendre d’un univers jeune.

Les chercheurs ont également déclaré avoir été surpris de découvrir des signatures d’énormes trous noirs supermassifs dans les mêmes objets, estimant qu’ils sont 100 à 1 000 fois plus massifs que le trou noir supermassif de notre propre Voie lactée. Aucun de ces deux phénomènes n’est attendu dans les modèles actuels de croissance des galaxies et de formation de trous noirs supermassifs, qui prévoient que les galaxies et leurs trous noirs grandissent ensemble au cours de milliards d’années d’histoire cosmique.

“Nous avons confirmé qu’ils semblent être remplis d’étoiles anciennes – vieilles de plusieurs centaines de millions d’années – dans un univers qui n’a que 600 à 800 millions d’années. Remarquablement, ces objets détiennent le record des premières signatures de la lumière des étoiles anciennes. ” a déclaré Bingjie Wang, chercheur postdoctoral à Penn State et auteur principal de l’article.

« Il était totalement inattendu de trouver de vieilles étoiles dans un univers très jeune. Les modèles standards de cosmologie et de formation des galaxies ont été incroyablement efficaces, mais ces objets lumineux ne s’intègrent pas parfaitement dans ces théories. »

Les chercheurs ont repéré pour la première fois ces objets massifs en juillet 2022, lorsque l’ensemble de données initial a été publié par le JWST. L’équipe a publié un article dans Nature quelques mois plus tard, annonçant l’existence des objets.

À l’époque, les chercheurs soupçonnaient que ces objets étaient des galaxies, mais ont poursuivi leur analyse en prenant des spectres pour mieux comprendre les véritables distances des objets, ainsi que les sources alimentant leur immense lumière.

Les chercheurs ont ensuite utilisé les nouvelles données pour se faire une idée plus précise de l’apparence des galaxies et de ce qu’elles contenaient. L’équipe a non seulement confirmé que les objets étaient effectivement des galaxies proches du début des temps, mais elle a également trouvé des preuves de l’existence de trous noirs supermassifs étonnamment grands et d’une population d’étoiles étonnamment ancienne.

« C’est très déroutant », a déclaré Joel Leja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et co-auteur des deux articles. « On peut arriver à ce que cela s’intègre mal dans notre modèle actuel de l’univers, mais seulement si nous évoquons une formation exotique et incroyablement rapide au début des temps. C’est, sans aucun doute, l’ensemble d’objets le plus particulier et le plus intéressant que j’ai vu dans ma carrière. »

Le JWST est équipé d’instruments de détection infrarouge capables de détecter la lumière émise par les étoiles et galaxies les plus anciennes. Essentiellement, le télescope permet aux scientifiques de remonter dans le temps d’environ 13,5 milliards d’années, près du début de l’univers tel que nous le connaissons, a déclaré Leja.

L’un des défis de l’analyse de la lumière ancienne est qu’il peut être difficile de différencier les types d’objets qui auraient pu émettre cette lumière. Dans le cas de ces objets primitifs, ils présentent clairement les caractéristiques des trous noirs supermassifs et des vieilles étoiles.

Cependant, a expliqué Wang, on ne sait pas encore précisément quelle quantité de lumière observée provient de chacune d’elles, ce qui signifie qu’il pourrait s’agir de galaxies primitives, étonnamment vieilles et plus massives encore que notre propre Voie Lactée, se formant bien plus tôt que ne le prédisent les modèles, ou bien il pourrait s’agir de galaxies de masse plus normale avec des trous noirs « surmassifs », environ 100 à 1 000 fois plus massifs qu’une telle galaxie n’en aurait aujourd’hui.

“Il est difficile de faire la distinction entre la lumière provenant d’un matériau tombant dans un trou noir et la lumière émise par les étoiles de ces objets minuscules et distants”, a déclaré Wang. “Cette incapacité à faire la différence dans l’ensemble de données actuel laisse une grande place à l’interprétation de ces objets intrigants. Honnêtement, c’est passionnant d’avoir autant de mystère à résoudre.”

Outre leur masse et leur âge inexplicables, si une partie de la lumière provient effectivement de trous noirs supermassifs, alors ils ne sont pas non plus des trous noirs supermassifs normaux. Ils produisent bien plus de photons ultraviolets que prévu, et des objets similaires étudiés avec d’autres instruments ne présentent pas les signatures caractéristiques des trous noirs supermassifs, comme la poussière chaude et l’émission de rayons X brillants. Mais le plus surprenant, selon les chercheurs, est peut-être leur masse apparente.

« Normalement, les trous noirs supermassifs sont associés à des galaxies », explique Leja. « Ils grandissent ensemble et vivent ensemble toutes les grandes expériences de leur vie. Mais ici, nous avons un trou noir adulte complètement formé vivant à l’intérieur de ce qui devrait être une petite galaxie. Cela n’a pas vraiment de sens, car ces choses devraient grandir ensemble, ou du moins c’est ce que nous pensions. »

Les chercheurs étaient également perplexes face à la taille incroyablement petite de ces systèmes, de seulement quelques centaines d’années-lumière, soit environ 1 000 fois plus petite que notre propre Voie lactée. Les étoiles sont à peu près aussi nombreuses que dans notre propre galaxie, la Voie Lactée – avec entre 10 milliards et 1 billion d’étoiles – mais contenues dans un volume 1 000 fois plus petit que la Voie Lactée.

Leja a expliqué que si l’on prenait la Voie Lactée et qu’on la compressait à la taille des galaxies qu’ils ont trouvées, l’étoile la plus proche serait presque dans notre système solaire. Le trou noir supermassif au centre de la Voie Lactée, à environ 26 000 années-lumière de la Terre, ne serait qu’à environ 26 années-lumière de la Terre et serait visible dans le ciel sous la forme d’un pilier de lumière géant.

« Ces premières galaxies étaient si denses en étoiles – des étoiles qui ont dû se former d’une manière que nous n’avons jamais vue, dans des conditions que nous n’aurions jamais imaginées à une époque où nous ne nous attendions pas à les voir », a déclaré Leja. « Et pour une raison ou une autre, l’univers a cessé de créer des objets comme ceux-ci après seulement quelques milliards d’années. Ils sont uniques à l’univers primitif. »

Les chercheurs espèrent poursuivre leurs observations, ce qui pourrait aider à résoudre certains mystères de ces objets. Ils prévoient d’obtenir des spectres plus profonds en pointant le télescope vers les objets pendant des périodes prolongées, ce qui aidera à démêler les émissions des étoiles et du potentiel trou noir supermassif en identifiant les signatures d’absorption spécifiques qui seraient présentes dans chacun.

“Il existe une autre façon de réaliser une percée, et c’est juste la bonne idée”, a déclaré Leja. “Nous avons toutes ces pièces de puzzle et elles ne s’emboîtent que si nous ignorons le fait que certaines d’entre elles se brisent. Ce problème relève d’un coup de génie qui nous a jusqu’à présent échappé, ainsi qu’à tous nos collaborateurs et à l’ensemble de la communauté scientifique.”