Une équipe internationale d’astrophysiciens a utilisé le Télescope spatial James Webb (JWST) étudier l’un des les trous noirs les plus massifs et les plus éloignésà une distance de 13 milliards d’années-lumière, lorsque le l’univers avait environ 800 millions d’années. Étonnamment, le trou noir se nourrit de la même manière que les trous noirs actuels de notre environnement cosmique proche.
Les astrophysiciens ont tenté d’expliquer comment ces trous noirs, au début de l’univers, ont acquis leur masse extraordinaire. Les nouveaux résultats, publiés dans la revue Astronomie naturelleexcluent l’existence de mécanismes exotiques proposés comme solution possible.
Une étude exclut des mécanismes exotiques pour expliquer comment les trous noirs supermassifs au début de l’univers ont acquis leur masse extraordinaire
Les premiers milliards d’années de l’histoire cosmique posent un défi : les premiers trous noirs connus au centre des galaxies ont des masses étonnamment grandes. Comment sont-ils devenus si massifs et si rapides ? Ces nouvelles observations fournissent des preuves solides contre certaines explications proposées, en particulier contre un mode d’alimentation extrêmement efficace pour augmenter la masse des premiers trous noirs massifs.
Les étoiles et les galaxies ont énormément changé au cours des 13,8 milliards d’années qui ont suivi la vie de l’univers. Les galaxies se sont développées et ont gagné en masse, soit en consommant le gaz environnant, soit en fusionnant (occasionnellement) les unes avec les autres. Les astronomes ont longtemps supposé que les trous noirs supermassifs situés dans les centres galactiques se seraient progressivement développés en même temps que les galaxies elles-mêmes.
Trou noir, AGN et quasar
Mais la croissance des trous noirs ne peut pas être arbitrairement rapide. La matière qui tombe sur eux forme un « disque d’accrétion » brillant, chaud et rotatif. Lorsque cela se produit autour d’un un trou noir supermassifle résultat est un noyau galactique actif (AGNpour son acronyme en anglais), à partir duquel de grandes quantités d’énergie sont libérées par l’accrétion de ce gaz et de cette poussière sur le trou central.
L’AGN le plus lumineux, connu sous le nom de quasars (puissantes sources de rayonnement), comptent parmi les objets astronomiques les plus brillants de tout le cosmos. Mais cette luminosité limite la quantité de matière qui peut tomber sur le trou noir : la lumière exerce une pression qui peut empêcher la chute de matière supplémentaire.
C’est pourquoi les astronomes ont été surpris lorsqu’au cours des vingt dernières années, les observations de quasars lointains ont révélé de très jeunes trous noirs qui avaient pourtant atteint des masses allant jusqu’à 10 milliards de masses solaires. La lumière met du temps à se déplacer d’un objet lointain jusqu’à nous, donc regarder des objets lointains signifie regarder dans un passé lointain.
Quasars de l’aube cosmique
Nous voyons les quasars connus les plus éloignés tels qu’ils étaient à une époque connue sous le nom de « l’aube cosmique ». moins d’un milliard d’années après le Big Bang, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées. Expliquer ces premiers trous noirs massifs constitue un défi considérable pour les modèles actuels d’évolution des galaxies.
Se pourrait-il que les premiers trous noirs aient été beaucoup plus efficaces pour accumuler du gaz que leurs homologues modernes ? Ou la présence de poussière pourrait-elle affecter les estimations de masse des quasars d’une manière qui amènerait les chercheurs à surestimer les masses des premiers trous noirs ? Il y a de nombreuses explications proposées à l’heure actuelle, mais aucune n’est largement acceptée.
Décider quelle explication est correcte nécessite une étude des quasars plus complète que celle disponible jusqu’à présent. Avec l’arrivée du télescope spatial JWST, en particulier de l’instrument infrarouge moyen MIRI, la capacité des astronomes à étudier les quasars lointains a fait un pas de géant.
Il Appareil MIRI Il a été construit par un consortium international avec la participation de scientifiques et d’ingénieurs du Conseil supérieur de la recherche scientifique (CSIC) et de l’Institut national de technologie aérospatiale (INTA). En échange de la construction de l’instrument, le consortium a reçu un certain temps d’observation. En 2019, des années avant le lancement de Webb, le consortium européen MIRI a décidé d’utiliser une partie de ce temps pour observer ce qui était alors le quasar le plus éloigné connu, un objet portant la désignation J1120+0641.
L’étude a été réalisée avec l’instrument infrarouge moyen MIRI de Webb et s’est concentrée sur le quasar J1120+0641, seulement 770 millions d’années après le Big Bang.
Le redshift (z) d’une source lumineuse aide les astronomes à déduire sa distance et son âge. «À ce jour, il y a neuf quasars confirmés avec des décalages vers le rouge supérieurs à 7, et J1120 a été le premier à être détecté au-dessus (z=7,08), mais il y en a actuellement trois qui sont plus éloignés, avec des décalages compris entre 7, .51 et 7,62 ( environ 700 millions d’années depuis le début du Big Bang)”, explique l’un des auteurs, Luis Colinadu Centre d’Astrobiologie (CAB, CSIC-INTA).
Colline et Álvarez Márquez, également du CAB, étaient chargés de concevoir la collecte de données des quasars et leur calibrage ultérieur, en corrigeant les effets instrumentaux. L’analyse des observations s’est portée sur Sarah Bosmanchercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck d’Astronomie (MPIA) en étroite collaboration avec des scientifiques espagnols.
Spectre à différentes longueurs d’onde
Les observations ont été réalisées en janvier 2023, lors du premier cycle d’observations JWST, et ont duré environ deux heures et demie. Ils constituent la première étude dans l’infrarouge moyen d’un quasar à l’aube cosmique, soit seulement 770 millions d’années après le Big Bang (redshift z=7). L’information ne provient pas d’une image, mais d’un spectre: la décomposition en forme d’arc-en-ciel de la lumière de l’objet en composants de différentes longueurs d’onde.
Un « taureau » qui ne change pas
La forme générale du spectre infrarouge moyen (continu) code les propriétés d’un gros taureau de poussière qui entoure le disque d’accrétion dans les quasars typiques. Ce tore aide à guider la matière vers le disque d’accrétion, « alimentant » le trou noir. La mauvaise nouvelle pour ceux dont la solution préférée aux premiers trous noirs massifs réside dans des modes alternatifs de croissance rapide : le tore, et par extension le mécanisme d’alimentation de ce tout premier quasar, semble être le même que celui de ses homologues plus modernes.
La seule différence est celle qu’aucun modèle de croissance précoce rapide des quasars n’avait prédit : température de la poudre légèrement plus élevée, environ une centaine de Kelvin de plus que les 1 300 K trouvés pour la poussière la plus chaude des quasars moins éloignés. La partie de longueur d’onde la plus courte du spectre, dominée par les émissions du disque d’accrétion lui-même, montre que pour nous, en tant qu’observateurs lointains, la lumière du quasar n’est pas atténuée par plus de poussière que d’habitude. Les arguments selon lesquels nous pourrions surestimer les masses des premiers trous noirs en raison de la poussière supplémentaire ne sont pas non plus la solution.
La région large des quasars, où des amas de gaz gravitent autour du trou noir à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, permettant des déductions sur la masse du trou noir ainsi que sur la densité et l’ionisation de la matière environnante, semble également normal. Dans presque toutes les propriétés pouvant être déduites du spectre, J1120+0641 ne diffère pas des quasars des époques ultérieures.
Dans presque toutes les propriétés pouvant être déduites du spectre, J1120+0641 ne diffère pas des quasars des époques ultérieures.
“Dans l’ensemble, les nouvelles observations ne font qu’ajouter au mystère : les premiers quasars sont étonnamment normaux. Quelles que soient les longueurs d’onde auxquelles nous les observons, les quasars sont presque identiques à tout moment dans l’univers », explique Bosman. Non seulement les trous noirs supermassifs eux-mêmes, mais aussi leurs mécanismes d’alimentation étaient apparemment déjà pleinement « matures » alors que le cosmos n’avait que 5 % de son âge actuel.
Trous noirs supermassifs primordiaux
En excluant un certain nombre de solutions alternatives, les résultats soutiennent fortement l’idée selon laquelle les trous noirs supermassifs ont commencé avec des masses considérables dès le début, dans le jargon de l’astronomie : qu’ils sont «primordial» ou «grand semé».
Les trous noirs supermassifs ne se sont pas formés à partir des restes des premières étoiles et sont ensuite devenus massifs très rapidement. Ils doivent s’être formés très tôt avec des masses initiales d’au moins cent mille masses solaires, probablement à la suite de l’effondrement d’énormes nuages de gaz précoces, révèlent des études comme celle-ci.
