Avec le recul, il est devenu évident que La lumière de la galaxie appelée J1120+0641 a mis presque autant de temps pour atteindre la Terre comment l’univers a pris pour se développer jusqu’à aujourd’hui. Il est inexplicable que le trou noir en son centre puisse alors peser plus d’un milliard de masses solaires, comme le démontrent des mesures indépendantes.
Des observations récentes de la matière à proximité du trou noir auraient dû révéler un mécanisme d’alimentation particulièrement efficace, mais elles n’ont rien trouvé de spécial. Ce résultat est encore plus extraordinaire : il pourrait signifier que Les astrophysiciens en savent moins sur le développement des galaxies qu’ils ne le pensaient. Et pourtant, ils ne déçoivent pas du tout.
Ces résultats sont publiés dans la revue Astronomie naturelle.
Le premier milliard d’années de l’histoire cosmique constitue un défi: les premiers Les trous noirs connus au centre des galaxies ont des masses étonnamment grandes. Comment sont-ils devenus si massifs si rapidement ? Les nouvelles observations décrites ici fournissent des preuves solides contre certaines explications proposées, en particulier contre un « mode d’alimentation ultra-efficace » pour les premiers trous noirs.
Les limites à la croissance d’un trou noir supermassif
Les étoiles et les galaxies ont changé grandement au cours de la dernière 13,8 milliards d’années, 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. Pendant très longtemps, Les astronomes ont émis l’hypothèse que les trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies se seraient progressivement développés en même temps que les galaxies elles-mêmes..
Mais la croissance des trous noirs ne peut pas être arbitrairement rapide. La matière tombant sur un trou noir forme un “disque d’accrétion“lumineux, chaud et en rotation. Lorsque cela se produit autour d’un trou noir supermassif, le résultat est un noyau galactique actif. Les objets les plus brillants, appelés quasars, font partie des 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.
Comment les trous noirs sont-ils devenus si massifs et si rapides ?
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 avait pourtant atteint masses 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. Nous voyons les quasars connus les plus éloignés tels qu’ils étaient à une époque connue sous le nom de “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 est 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 ? De nombreuses explications sont proposées à l’heure actuelle, mais aucune n’est largement acceptée.
Examen plus approfondi de la croissance précoce des trous noirs
Décider quelle explication (le cas échéant) est correcte nécessite une image plus complète des quasars que celle disponible auparavant. Avec l’arrivée de télescope spatial JWST, en particulier l’instrument infrarouge moyen MIRI du télescope, la capacité des astronomes à étudier les quasars lointains a fait un pas de géant. Pour mesurer les spectres de quasars distants, MIRI est 4 000 fois plus sensible que n’importe quel instrument précédent.
Les instruments comme MIRI sont construits par des consortiums internationaux, au sein desquels scientifiques, ingénieurs et techniciens travaillent en étroite collaboration. Naturellement, un consortium est très intéressé à voir si son instrument fonctionne aussi bien que prévu.
En échange de la construction de l’instrument, les consortiums reçoivent généralement un certain temps d’observation. En 2019, des années avant le lancement du JWST, le 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.
Observer l’un des premiers trous noirs
L’analyse des observations revenait au Dr. Sarah Bosman, chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) et membre du consortium européen MIRI. Les contributions de MPIA à l’instrument MIRI comprennent la construction d’un certain nombre de pièces internes clés. Bosman a été invité à rejoindre la collaboration MIRI spécifiquement pour fournir son expertise sur la meilleure façon d’utiliser l’instrument pour étudier l’univers primitif, en particulier les premiers trous noirs supermassifs.
Les observations ont été réalisées en janvier 2023, au cours du premier cycle d’observations JWST, et a duré environ deux heures et demie. Ils constituent la première étude dans l’infrarouge moyen d’un quasar au cours de la période de l’aube cosmique, seulement 770 millions d’années après le Big Bang (décalage vers le rouge 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 provenant de l’objet en composants de différentes longueurs d’onde.
Suivi des poussières et des gaz se déplaçant rapidement
La forme générale du spectre infrarouge moyen (« continuum ») code les propriétés d’un grand tore de poussière entourant 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 : une température de la poussière un peu plus élevée, environ cent Kelvin plus chaude 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 surestimons peut-être simplement les masses des premiers trous noirs en raison de la poussière supplémentaire ne sont pas non plus la solution.
Les premiers quasars sont « étonnamment normaux »
La grande région du quasar, où des amas de gaz gravitent autour du trou noir à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, permettant de déduire la masse du trou noir ainsi que la densité et l’ionisation de la matière environnante, semble également normale. Dans presque toutes les propriétés déductibles du spectre, J1120+0641 n’est pas différent des quasars des temps ultérieurs.
“Dans l’ensemble, les nouvelles observations ne font qu’ajouter au mystère : les premiers quasars étaient étonnamment normaux. Quelles que soient les longueurs d’onde auxquelles nous les observons, les quasars sont presque identiques à toutes les époques de l’univers.” dit Bosman. Non seulement les trous noirs supermassifs eux-mêmes, mais aussi leurs mécanismes d’alimentation étaient apparemment déjà pleinement ” matures ” alors que l’Univers n’avait que 5 % de son âge actuel.
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 : ils sont « primordiaux » ou « à grosses graines ».. 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 suite à l’effondrement d’énormes nuages de gaz précoces.
Référence
Sarah E. I. Bosman et coll. Un quasar mature à l’aube cosmique révélé par la spectroscopie infrarouge à cadre repos JWST, Nature Astronomy (2024). DOI : 10.1038/s41550-024-02273-0
Cet article a été publié dans Actualités le 29 juin 2024 par Francisco Martín León
