Trois mystérieux objets brillants découverts dans l’univers primitif déroutent les scientifiques

Une découverte récente du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA a confirmé que des objets lumineux et très rouges précédemment détectés dans l’univers primitif bouleversaient 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, lorsque l’univers n’avait que 5 ans. % de son âge actuel. Ils ont annoncé la découverte en Lettres de journaux astrophysiques.

L’équipe a étudié les mesures spectrales, ou l’intensité de différentes longueurs d’onde de lumière émise par les objets. Leur analyse a révélé des signatures d’étoiles « vieilles », vieilles de centaines de millions d’années, bien plus anciennes que prévu dans un univers jeune.

Les chercheurs ont également 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 phénomènes n’est attendu dans les modèles actuels de croissance des galaxies et de formation de trous noirs supermassifs, qui envisagent une croissance des galaxies et de leurs trous noirs au cours de milliards d’années d’histoire cosmique.

Nous avons confirmé que ces objets semblent remplis d’étoiles anciennes – vieilles de centaines de millions d’années – dans un univers qui n’a que 600 à 800 millions d’années. Étonnamment, ces objets détiennent le record des premiers signaux 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 retrouver de vieilles étoiles dans un univers très jeune. Les modèles standards de cosmologie et de formation des galaxies ont connu un succès incroyable, mais ces objets lumineux ne s’intègrent pas tout à fait confortablement dans ces théories.

Les chercheurs ont aperçu ces objets massifs pour la première fois en juillet 2022, lorsque l’ensemble de données initial du JWST a été publié. 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 ils ont poursuivi leur analyse en prenant des spectres pour mieux comprendre les distances réelles des objets, ainsi que les sources qui alimentaient leur immense luminosité.

Les chercheurs ont ensuite utilisé les nouvelles données pour obtenir une image plus claire de ce à quoi ressemblaient les galaxies et de ce qu’elles contenaient. Non seulement ils ont confirmé que les objets étaient bien des galaxies proches du début des temps, mais ils ont également trouvé des preuves de trous noirs supermassifs étonnamment grands et d’une population d’étoiles étonnamment ancienne.

C’est très déroutanta déclaré Joel Leja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et co-auteur des deux articles. Vous pouvez adapter cela de manière inconfortable à notre modèle actuel de l’univers, mais seulement si nous évoquons une formation rapide et exotique au début des temps. Il s’agit sans aucun doute de l’ensemble d’objets le plus particulier et le plus intéressant que j’ai vu au cours de ma carrière..

JWST est équipé d’instruments sensibles à l’infrarouge capables de détecter la lumière émise par les étoiles et les galaxies plus anciennes. Fondamentalement, le télescope permet aux scientifiques de remonter dans le temps, à 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 consiste à différencier les types d’objets qui auraient pu l’émettre. Dans le cas de ces premiers objets, ils présentent des caractéristiques claires à la fois des trous noirs supermassifs et des étoiles anciennes. Cependant, a expliqué Wang, on ne sait toujours pas quelle quantité de lumière observée provient de chacune, ce qui signifie qu’il pourrait s’agir de galaxies précoces étonnamment anciennes et plus massives que notre propre Voie Lactée, se formant beaucoup plus tôt que ce que prédisent les modèles ou qu’elles pourraient être normales. des galaxies de masse avec des trous noirs « supermassifs », environ 100 à 1 000 fois plus massifs qu’une telle galaxie ne le serait aujourd’hui.

Faire la distinction entre la lumière émise par un matériau tombant dans un trou noir et la lumière émise par les étoiles dans ces petits objets lointains est un défi.Wang a dit. Cette incapacité à différencier l’ensemble de données actuel laisse largement place à l’interprétation de ces objets intrigants. Honnêtement, c’est excitant d’avoir autant de mystère à résoudre.

En plus de leur masse et de leur âge inexpliqués, si une partie de la lumière provient effectivement de trous noirs supermassifs, alors ce ne sont pas non plus des trous noirs supermassifs normaux. Ils produisent beaucoup plus de photons ultraviolets que prévu et les objets similaires étudiés avec d’autres instruments n’ont pas les signatures caractéristiques des trous noirs supermassifs, telles que la poussière chaude et l’émission de rayons X brillants. Mais le plus surprenant, selon les chercheurs, est peut-être leur taille. être.

Normalement, les trous noirs supermassifs sont accompagnés de galaxiesdit Léja. Ils grandissent ensemble et vivent ensemble toutes les grandes expériences de la vie. Mais ici, nous avons un trou noir adulte entièrement formé vivant à l’intérieur de ce qui devrait être une bébé galaxie. Cela n’a pas beaucoup de sens, car ces choses devraient grandir ensemble, ou du moins c’est ce que nous pensions..

Les chercheurs ont également été intrigués par la taille incroyablement petite de ces systèmes : seulement quelques centaines d’années-lumière de diamètre, 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 vous preniez la Voie lactée et la compressiez à la taille des galaxies trouvées, l’étoile la plus proche se trouverait presque dans notre système solaire. Le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, à environ 26 000 années-lumière, ne se trouverait qu’à environ 26 années-lumière de la Terre et serait visible dans le ciel sous la forme d’une colonne de lumière géante.

Ces premières galaxies seraient si densément peuplées d’étoiles, des étoiles qu’elles ont dû se former d’une manière que nous n’avons jamais vue, dans des conditions auxquelles nous ne nous attendrions jamais pendant une période où nous ne nous attendrions jamais à les voir.dit Léja. Et pour une raison quelconque, l’univers a cessé de créer des objets comme ceux-ci après seulement quelques milliards d’années. Ils sont uniques au début de l’univers.

Les chercheurs espèrent poursuivre avec davantage d’observations, qui, selon eux, pourraient aider à expliquer certains des mystères de ces objets. Ils prévoient d’acquérir des spectres plus profonds en pointant le télescope vers les objets pendant de longues périodes, ce qui aidera à démêler l’émission des étoiles et le potentiel trou noir supermassif en identifiant les signatures d’absorption spécifiques qui seraient présentes dans chacun.

Il existe une autre manière de réaliser une percée, et c’est tout simplement la bonne idée.dit Léja. Nous avons toutes ces pièces du puzzle et elles ne s’assemblent que si nous ignorons le fait que certaines d’entre elles sont cassées. Ce problème est sujet à un coup de génie qui jusqu’à présent nous a échappé, à tous nos collaborateurs et à l’ensemble de la communauté scientifique..