Des astronomes ont découvert un trou noir supermassif de quelques 800 millions de masses solaires, situé à 13.1 milliards d’années-lumière de la Terre, soit seulement 690 millions d’années après le Big Bang.

C’est le trou noir le plus éloigné jamais découvert, situé à 13.1 milliards d’années-lumière de la Terre, quand l’univers n’était qu’à 5% de son âge actuel, soit environ 690 millions d’années après le Big Bang. « Rassembler toute cette masse en moins de 690 millions d’années est un énorme défi pour les théories de la croissance des trous noirs supermassifs », a déclaré Eduardo Bañados de l’Université Carnegie Mellon, qui a dirigé l’étude. Auparavant, le trou noir connu le plus ancien datait du moment où l’univers n’avait qu’environ 800 millions d’années.

Mais ce trou noir récemment découvert, nommé J1342 + 0928, se trouve au centre d’un disque de gaz très brillant, en orbite au centre d’une galaxie, formant un quasar. Le trou noir a été découvert à partir des données de plusieurs grandes enquêtes menées par les scientifiques : les données de la DECam Legacy Survey (DECaLS), à l’Observatoire interaméricain du Cerro Tololo au Chili, ainsi qu’aux données infrarouges du WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) de la NASA et de l’UKIDSS (United Kingdom Infrared Telescope Infrared Deep Sky Survey). Le télescope Gemini North a également été utilisé pour mesurer la masse du trou noir.

Il faut savoir que les quasars sont les objets les plus brillants de l’univers et certains émettent des milliers de fois plus de lumière qu’une grande galaxie. Bien entendu, les trous noirs n’émettent pas de lumière directement. La lumière provient du disque d’accrétion autour du trou noir, car la poussière et le gaz tourbillonnent à des vitesses énormes et génèrent de ce fait d’immenses frictions, étant soumis à la très grande force gravitationnelle du trou noir au centre. En dépit de leur grande luminosité, tous les quasars découverts à ce jour sont si éloignés qu’ils ne peuvent être vus à l’œil nu. Ils ne peuvent être observés (la lumière se dégageant du disque d’accrétion) qu’avec des télescopes très puissants.

Cependant, les quasars peuvent être des outils très utiles pour étudier l’univers primitif, car la lumière de leur disque d’accrétion peut être analysée afin de révéler des informations sur l’hydrogène. Et J1342 + 0928 est si ancien, qu’il pourrait bien nous révéler des informations quant à un élément crucial dans l’histoire de l’univers : l’époque de réionisation (soit dans les 700 millions d’années après le Big Bang).

En effet, juste après le Big Bang, l’univers était une sorte de « soupe primordiale », sombre et chaude à l’échelle cosmique, et en expansion rapide. Au fur et à mesure de son expansion, l’univers s’est alors refroidit, amenant les protons et les neutrons à se combiner en atomes d’hydrogène ionisés. Puis, autour des 240 000 à 300 000 ans après le Big Bang, ces atomes d’hydrogène ont attiré des électrons, se fondant littéralement en hydrogène neutre.

À ce stade, la lumière pouvait voyager librement à travers l’univers, car elle ne diffusait plus les électrons libres. Mais ce n’est que lorsque la gravité a commencé à rassembler les premières étoiles et galaxies dans ce vide rempli d’hydrogène, que la lumière des étoiles est apparue. Et c’est peu de temps après, selon les théories actuelles, que l’hydrogène neutre a été excité par la lumière ultraviolette de ces étoiles, galaxies, quasars (ou par une combinaison de ces trois éléments).

Cet effet a réionisé la plus grande partie de l’hydrogène de l’univers, le divisant en protons et en électrons. Puis, environ un milliard d’années après le Big Bang, ce processus de réionisation était terminé.

Mais il reste difficile à déterminer le commencement exact de l’époque de réionisation. « La réionisation a été la dernière grande transition de l’univers, et est l’une des frontières actuelles de l’astrophysique », a déclaré M. Bañados.

C’est là que J1342 + 0928 entre en jeu. L’analyse de sa lumière montre qu’une proportion significative de l’espace qui l’entoure est encore composé d’hydrogène neutre, 690 000 ans après le Big Bang. Cela signifie que la réionisation peut s’être produite relativement tard, dans la vie de l’univers.

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Voici une représentation schématique de ce que nous pouvons apprendre de ce nouveau quasar : l’observation, en utilisant un télescope de Magellan (en bas à gauche) nous permet de reconstruire l’information sur l’époque de la réionisation (les « bulles » sur la droite) qui a suivi le Big Bang (tout en haut, à droite). Crédits : Robin Dienel/Carnegie Institute of Science

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Vue d’artiste représentant un quasar : un trou noir supermassif, entouré du disque d’accrétion. Crédits : Carnegie Institute of Science

Mais J1342 + 0928 soulève quelques questionnements. Il est comparable en masse aux trous noirs supermassifs que nous connaissons actuellement (qui sont plus proches et moins âgés), ce qui signifie qu’il a dû avoir une galaxie relativement bien garnie à proximité afin de s’en nourrir, et que celle-ci a du se former en très peu de temps, selon nos modèles actuels concernant l’évolution galactique.

Cette découverte fait partie d’une étude à plus long terme, visant à trouver des quasars dans l’univers primitif et primordial. L’équipe de chercheurs estime qu’il y aurait entre 20 et 100 objets aussi brillants et aussi éloignés que J1342 + 0928 qui n’attendent qu’à être découverts.

En découvrir plus permettra aux astronomes de reconstituer les données statistiques sur l’univers primitif et l’époque de la réionisation. Et également, espérons-le, à élaborer un modèle d’évolution galactique qui puisse les expliquer. « C’est une découverte très excitante, réalisée en utilisant la nouvelle génération de technologie de sondages étendus et sensibles, que les astronomes effectuent grâce au Wide Field Infrared Survey Explorer de la NASA, qui se situe en orbite, ainsi que par le biais des télescopes au sol au Chili et à Hawaï », a déclaré Daniel Stern du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. « Avec la construction de plusieurs installations de nouvelle génération, encore plus sensibles, nous pouvons nous attendre à de nombreuses découvertes passionnantes concernant le début de l’univers, dans les années à venir », a-t-il ajouté.

Sources : Nature, ESO, Max Planck Institute for Astronomy

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