Les trous noirs supermassifs dans les galaxies «Little Red Dot» sont 1 000 fois plus grandes qu'ils ne devraient l'être, et les astronomes ne savent pas pourquoi

"Nos mesures impliquent que la masse de trou noir supermassive est de 10% de la masse stellaire dans les galaxies que nous avons étudiées."

En utilisant le télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes ont découvert des trous noirs supermassifs distants et trop massifs dans le début de l'univers. Les trous noirs semblent beaucoup trop massifs par rapport à la masse des étoiles dans les galaxies qui les hébergent.

Dans l'univers moderne, pour les galaxies proches de la nôtre laiteuse , les trous noirs supermassifs ont tendance à avoir des masses égales à environ 0,01% de la masse stellaire de leur galaxie hôte. Thus, for every 10,000 solar masses attributed to stars in a galaxy, there is around one solar mass of a central supermassive black hole.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont statistiquement calculé que les trous noirs supermassifs dans certaines des premières galaxies vus par JWST ont des masses de 10% de la masse stellaire de leurs galaxies. Cela signifie que pour 10 000 masses solaires dans les étoiles de chacune de ces galaxies, il existe 1 000 masses solaires d'un trou noir supermassif.

"La masse de ces trous noirs supermassive est très élevé par rapport à la masse stellaire des galaxies qui les accueillent", a déclaré à Space.com le chef d'équipe Jorryt Matthee, un scientifique de l'Institute of Science and Technology Autriche (ISTA). "À valeur nominale, nos mesures impliquent que la masse de trou noir supermassive est de 10% de la masse stellaire dans les galaxies que nous avons étudiées."

"Dans le scénario le plus extrême, cela impliquerait que les trous noirs sont 1 000 fois trop lourds."

La découverte pourrait rapprocher les astronomes de la résolution du mystère de la façon dont les trous noirs supermassifs avec des masses des millions, voire des milliards de fois, celle du soleil se sont développées si rapidement dans le début de l'univers.

"Plutôt que de dire que cette découverte est" troublante ", je dirais qu'elle est" prometteuse ", car la grande différence suggère que nous sommes sur le point d'apprendre quelque chose de nouveau", a ajouté Matthee.

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L'histoire commence par de petits points rouges

Depuis que JWST a commencé à ramener les données sur Terre à l'été 2022, le télescope de 10 milliards de dollars a aidé les astronomes à affiner leur compréhension du premier cosmos.

Cela a inclus la découverte de trous noirs supermassifs avec des millions de masses solaires lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années. Ceci est problématique, car les scientifiques ont estimé que les chaînes de fusion de trous noirs progressivement plus grands et l'alimentation vorace de la matière environnante qui mène des trous noirs à des tailles supermassives prendrait plus d'un milliard d'années.

Un autre aspect important de cette enquête de l'univers Early Universe de JWST a été la découverte de " Little Red Dot Galaxies ", dont certaines n'existaient que 1,5 milliard d'années après le Big Bang , lorsque l'univers avait environ 11% de son âge actuel.

La coloration rouge de ces premières galaxies étonnamment brillantes proviendrait du gaz et de la poussière dans un nuage de matière aplati autour des trous noirs supermassifs appelés disque d'accrétion. Comme les trous noirs géants se nourrissent de cette question, ils émettent d'énormes quantités d'énergie électromagnétique, d'une région compacte connue sous le nom de Noyau galactique actif (AGN).

"En 2023 et 2024, nous et d'autres groupes avons découvert une population d'AGN auparavant cachée dans l'univers précoce dans les premiers ensembles de données du JWST", a déclaré Matthee. «La lumière que nous voyons de ces objets, en particulier la lumière plus rouge, provient des disques d'accrétion autour des trous noirs supermassifs.

"Ces objets sont devenus connus sous le nom de" Little Red Dots "parce que c'est ainsi qu'ils apparaissent dans les images JWST."

Actuellement, cette population galactique précoce est très excitante, bien que mal comprise. Par exemple, dans l'univers précoce, les petits points rouges semblent être beaucoup plus nombreux par rapport aux populations d'AGN précédemment connues vues de la Terre comme des quasars à trous noir supermassif .

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"Les petits points rouges présentent également des propriétés très remarquables, telles que la faiblesse des émissions de rayons X, ce qui est assez inhabituel pour les AGN, et l'émission infrarouge est également inhabituelle", a déclaré Matthee. "En raison de ces complications, nous avons du mal à interpréter la lumière que nous observons à partir des petits points rouges, ce qui signifie qu'il est très difficile d'étudier leurs propriétés."

C'est là que le nouveau travail de Matthee et ses collègues entre en jeu. En utilisant un ensemble de données de l'enquête JWST Year 2 (cycle 2) «All the Little Things (Alt)», l'équipe a construit une carte 3D précise de toutes les galaxies dans une région spécifique dans le ciel.

"Dans cette région, nous avons identifié sept petits points rouges, similaires aux études précédentes, mais maintenant nous avons pu comparer les emplacements de ces petits points rouges dans la carte 3D Galaxy", a déclaré Matthee.

Les petits points rouges de l'équipe sont situés si loin que leur lumière se rend chez nous depuis environ 12,5 milliards d'années. Ils sont regroupés dans le soi-disant réseau cosmique de galaxies, leur positionnement étant d'une importance capitale.

Les petites galaxies rouges sont des morceaux sur une toile cosmique

La position des galaxies dans la toile cosmique dépend du type de galaxie. Des galaxies massives plus évoluées se trouvent dans des régions trop denses telles que les nœuds où les brins du Web se connectent. Les galaxies plus jeunes et de masse inférieure ont tendance à être trouvées dans des régions moins denses du réseau cosmique, sur la longueur des brins individuels loin des nœuds.

"Nous avons constaté que les petits points rouges sont dans des environnements qui ressemblent à de jeunes galaxies à faible masse", a déclaré Matthee. "Cela implique que les petites galaxies à points rouges sont également de jeunes galaxies à faible masse."

Le fait que ces petites galaxies à points rouges contiennent des AGN ont prouvé que les premiers trous noirs se développent activement dans les galaxies avec des masses stellaires aussi bas que environ 100 millions de fois celles du soleil.

Une explication possible à cela est que les trous noirs supermassifs dans l'univers précoce ont réussi à se former et à se développer beaucoup plus efficacement que ceux de l'univers actuel. Cela pourrait être dû à la consommation plus rapide de gaz environnant et de matière.

"À mon avis, l'explication la plus probable est la croissance extrêmement rapide des trous noirs supermassifs nourris par les densités de gaz élevées des galaxies dans l'univers précoce", a déclaré Matthee. "Ces densités conduisent simultanément à des densités stellaires élevées, ce qui favorise la formation de trous noirs supermassifs en facilitant les collisions en coulance des trous noirs résistants."

Si c'est vrai, alors la formation d'étoiles et de trous noirs supermassive dans les galaxies est intrinsèquement lié, avec ces processus en fonction les uns des autres. Bien que les trous noirs supermassifs se développent plus rapidement dans les premières galaxies, la formation d'étoiles se rattrape, conduisant au rapport de masse 1: 100 observé aujourd'hui.

Cela ne confirme pas encore les théories de la croissance rapide par rapport aux autres explications de croissance des trous noirs supermassifs, tels que l'idée que ces titans cosmiques poussent à partir de graines de trou noir massives créées par l'effondrement direct d'énormes nuages de gaz et de poussière.

Cependant, Matthee a ajouté qu'il sera désormais difficile pour les théoriciens de contourner les masses de galaxie hôte basses lorsque des théories concurrentes sont prises en compte.

Matthee a expliqué que les prochaines étapes de l'équipe et de la communauté astronomique plus large sont d'éliminer la possibilité que le rapport masse de masse/trou noir stellaire qu'ils aient trouvé ne sont pas le résultat de mesures inexactes ou d'un biais de sélection qui pourrait avoir favorisé les plus actifs et donc des trous noirs supermassifs massifs.

Cela impliquera probablement la découverte de plus de petites galaxies à points rouges, une chasse que le JWST sera sans aucun doute au cœur.

"Le JWST a été important pour deux raisons principales: sans elle, nous n'aurions pas découvert ces populations de faibles AGN", a conclu Matthee. "De plus, sans le JWST, nous n'aurions pas été en mesure de faire la carte 3D précise des distributions de galaxies que nous avons utilisées pour déduire les propriétés des galaxies hébergeant les faibles AGN.

"C'est un domaine de recherche très excitant pour le moment!"

Les recherches de l'équipe n'ont pas encore été publiées dans une revue évaluée par des pairs. Il a été publié sur le site du référentiel papier arXiv.

Publié à l'origine sur Space.com .