James Webb capture une fusion quasar-galaxie étonnante dans l’Univers lointain

james webb galaxies
Crédits : dima_zel/istock

Un groupe de recherche international dirigé par l’Institut national italien d’astrophysique (INAF) a utilisé le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) du télescope spatial James Webb (JWST) pour observer un quasar situé dans le système PJ308-21 qui interagissait avec deux galaxies satellites massives. Ces observations, réalisées en septembre 2022, ont alors offert des perspectives inédites sur la croissance des galaxies dans l’Univers primitif.

Le quasar PJ308-21 et ses galaxies satellites

Un quasar est un noyau galactique extrêmement lumineux alimenté par un trou noir supermassif. Ce dernier accrète la matière environnante et libère une énorme quantité d’énergie sous forme de lumière et de radiations, surpassant souvent la luminosité de la galaxie entière qui l’héberge. Les quasars sont ainsi considérés comme les objets les plus brillants et les plus énergétiques de l’Univers.

Étudier ces objets permet de mieux comprendre la formation et l’évolution des galaxies ainsi que le rôle des trous noirs supermassifs dans ces processus. Récemment, des observations du télescope spatial James Webb ont révélé des détails impressionnants sur le quasar PJ308-21, un exemple fascinant de ces objets puissants.

Ce quasar se trouve à un redshift de z = 6,2342, correspondant à une époque où l’Univers avait moins d’un milliard d’années. Le redshift est une mesure de cette distance et du décalage vers le rouge de sa lumière causé par l’expansion de l’Univers. En termes simples, cela signifie que le quasar PJ308-21 est situé à une très grande distance de nous, si loin que nous le voyons tel qu’il était lorsque le cosmos était encore très jeune.

Le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) a capturé le spectre de ce quasar avec une précision sans précédent : une incertitude inférieure à 1 % par pixel. Cela signifie donc que les mesures de la lumière et des éléments présents dans le quasar sont extrêmement fiables et détaillées avec une marge d’erreur très faible.

Qu’ont découvert les chercheurs ?

Ces observations ont ainsi permis aux astronomes de faire des analyses très précises de la composition et des propriétés du quasar et des galaxies environnantes. La galaxie hôte de PJ308-21 présente une métallicité élevée et des conditions de photoionisation typiques d’un noyau galactique actif (AGN) où la lumière intense du quasar ionise le gaz environnant. En revanche, l’une des galaxies satellites a une faible métallicité, ce qui indique une photoionisation induite par la formation d’étoiles. Avec une métallicité plus élevée, la deuxième galaxie satellite est partiellement photoionisée par le quasar.

Ces observations ont alors permis aux astronomes de déterminer la masse du trou noir supermassif au centre du système qui s’élève à environ deux milliards de masses solaires. Les résultats confirment que le quasar et les galaxies environnantes sont très évolués en termes de masse et d’enrichissement en métaux, et continuent de croître de manière significative. Ces découvertes offrent donc de nouvelles perspectives sur l’histoire cosmique et l’évolution chimique des galaxies, soulignant ainsi l’importance des recherches actuelles.

james webb galaxies
Carte de l’émission de raies d’hydrogène (en rouge et bleu) et d’oxygène (en vert) dans le système PJ308-21, affichée après masquage de la lumière du quasar central (« QSO »). Les différentes couleurs de la galaxie hôte du quasar et des galaxies compagnes sur cette carte révèlent les propriétés physiques du gaz qu’elles contiennent. Crédits : Decarli/INAF/A&A, 2024

L’impact transformateur du télescope James Webb

Les données ont été obtenues dans le cadre du programme 1554, dirigé par Decarli, l’un des neuf projets italiens du premier cycle d’observation du JWST. Les observations ont été réalisées en mode spectroscopie de champ intégral, ce qui permet d’étudier différents traceurs de gaz avec une approche 3D. Grâce à cette technique, l’équipe a détecté des émissions provenant de différents éléments, utilisées pour étudier les propriétés du milieu interstellaire ionisé, notamment la source et la dureté du champ de rayonnement photoionisant, la métallicité, l’obscurcissement par la poussière, la densité et la température des électrons et le taux de formation d’étoiles.

Federica Loiacono, astrophysicienne et postdoctorante à l’INAF, souligne l’importance des capacités du NIRSpec pour étudier les propriétés du gaz autour du trou noir et dans les galaxies environnantes. Elle explique : « Grâce à NIRSpec, nous pouvons pour la première fois étudier la bande optique dans le système PJ308-21, riche en données sur les propriétés du gaz à proximité du trou noir dans la galaxie hébergeant le quasar et dans les galaxies environnantes. Cette avancée a permis de comparer l’émission d’atomes d’hydrogène aux éléments chimiques produits par les étoiles, établissant ainsi la richesse en métaux des galaxies observées. »

Avec ses capacités inégalées, le JWST permet ainsi d’obtenir des observations d’une précision sans précédent dans l’Univers lointain. Les données sur l’enrichissement des métaux, autrefois hors de portée à de telles distances, peuvent désormais être cartographiées en détail en quelques heures d’observation. Cela ouvre de nouvelles avenues pour comprendre l’évolution chimique des galaxies, même à une époque où l’Univers était encore jeune.