Hubble découvre un « chainon manquant » révélant les origines des trous noirs supermassifs

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Vue d’artiste d'un jeune trou noir en pleine croissance émergeant du centre d'une galaxie poussiéreuse de formation d'étoiles. | ESA/Hubble N. Bartmann
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Les astronomes ont du mal à comprendre l’émergence des trous noirs supermassifs dans l’Univers primordial, depuis la découverte de ces objets à des distances les faisant remonter seulement 750 millions d’années après le Big Bang. Comprendre comment les trous noirs supermassifs se forment et grandissent dans l’Univers primordial est devenu un défi majeur. Les théories et les simulations informatiques prédisent la croissance rapide des trous noirs dans les premières galaxies poussiéreuses en formation d’étoiles, mais jusqu’à présent, ils n’avaient pas été observés. Récemment, des astronomes ont découvert, dans des données d’archives du télescope spatial Hubble de la NASA/ESA et d’autres observatoires spatiaux et terrestres, un objet unique dans l’univers lointain et précoce. Il s’agirait du chainon manquant entre les galaxies en formation d’étoiles et l’émergence des quasars — des trous noirs supermassifs accrétant d’importantes quantités de gaz.

Le quasar, formé très tôt dans l’Univers, est plus lumineux que des milliers de galaxies. Il émet une énergie titanesque, sous forme de faisceau sur des millions de milliards de kilomètres. Pourtant, sa taille équivaut seulement à quelques Systèmes solaires (le nôtre) mis côte à côte.

C’est en 1963 que Maarten Schmidt, astronome néerlandais, identifie et mesure la distance d’un quasar. À l’aide de grands télescopes, on a pu observer environ 130 000 quasars. Cela a permis de suggérer que leur centre comporte un trou noir supermassif, représentant la quasi-totalité de sa masse : de plusieurs millions à quelques milliards de fois la masse du Soleil. La matière proche du trou noir orbite à grande vitesse autour de lui et forme un disque d’accrétion. Ce disque de matière et de gaz tourbillonnant génère, par friction, une énorme quantité de chaleur. Une partie se rapproche, en accélérant, de l’horizon du trou noir qui la capture. Comme rien ne s’échappe de ce dernier, c’est la matière du disque qui est responsable des émissions de lumière. C’est en son cœur que le quasar puise donc son énergie et sa puissance.

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Ainsi, les quasars, alimentés par la matière tombant dans leur trou noir supermassif, se seraient formés au début de l’histoire de l’Univers, seulement 700 à 800 millions d’années après le Big Bang. Les scientifiques pensent qu’ils ont évolué à partir de trous noirs supermassifs dans des galaxies poussiéreuses, une classe de galaxies dont l’apparition précoce a également été confirmée. Mais jusqu’à présent, il n’y avait aucune preuve directe reliant les deux et permettant de comprendre comment les trous noirs supermassifs se forment et grandissent dans l’univers primitif.

C’est chose faite avec cette découverte dans les images d’archives d’Hubble, parmi lesquelles les astronomes ont signalé un objet particulier, nommé GNz7q. Il s’agirait du premier trou noir à croissance rapide découvert dans l’Univers primitif, et donc le « chainon manquant » de leur origine. L’étude est publiée dans Nature.

Un trou noir supermassif aux yeux de tous

Les chercheurs ont trouvé des preuves du chaînon manquant, en analysant les données archivées du télescope spatial Hubble, pour une région du ciel connue sous le nom de « champ Hubble GOODS North » dans la constellation de la Grande Ourse. Ce champ a été largement étudié par Hubble et d’autres télescopes.

L’équipe a remarqué un objet, surnommé GNz7q, qui semble être un trou noir commençant tout juste à dominer sa galaxie hôte en train de devenir un quasar. Des données d’archives supplémentaires, notamment le télescope Subaru, qui peut voir plus loin dans les longueurs d’onde infrarouges que Hubble, ont permis aux astronomes de distinguer le trou noir de sa galaxie hôte. L’étude des émissions ultraviolettes compactes du disque d’accrétion du trou noir les a aidés à déterminer que GNz7q existait depuis à peine 750 millions d’années après le Big Bang.

Gabriel Brammer, astronome de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague et co-auteur de l’étude, déclare dans un communiqué : « GNz7q est une découverte unique juste au centre d’un champ de ciel célèbre et bien étudié. Il est peu probable que la découverte de GNz7q dans la zone d’étude relativement petite de GOODS-North soit le fruit d’un coup de chance, mais plutôt que la prévalence de telles sources soit en fait beaucoup plus élevée qu’on ne le pensait ».

En d’autres termes, il se peut qu’il existe beaucoup d’autres trous noirs en formation, accidentellement négligés, qui attendent d’être découverts. GNz7q pourrait également aider les scientifiques à accomplir une tâche encore plus importante : élucider l’origine des trous noirs supermassifs.

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Chainon manquant, clé de l’origine des trous noirs supermassifs

Comme mentionné plus haut, les scientifiques pensent que les trous noirs supermassifs prennent naissance dans les noyaux poussiéreux des galaxies de formation d’étoiles, c’est-à-dire des galaxies qui produisent des étoiles très rapidement. Puis, en dévorant toute la poussière et le gaz de ces galaxies, le trou noir gagne vraisemblablement beaucoup de chaleur et finit par émerger sous la forme d’un quasar ou trou noir supermassif extrêmement lumineux. Toutes ces étapes produisent des spectres d’émission bien spécifiques selon les simulations, des spectres que l’on peut donc essayer de détecter, associés à des galaxies très anciennes.

Seiji Fujimoto, astronome à Niels Bohr Institute de l’Université de Copenhague et auteur principal de l’article, explique : « Notre analyse suggère que GNz7q est le premier exemple d’un trou noir à croissance rapide dans le noyau poussiéreux d’une galaxie de formation d’étoiles à une époque proche du plus ancien trou noir supermassif connu dans l’Univers. Les propriétés de l’objet à travers le spectre électromagnétique sont en excellent accord avec les prédictions des simulations théoriques ».

En effet, la galaxie hôte de GNz7q forme des étoiles au rythme de 1600 masses solaires d’étoiles par an et GNz7q elle-même apparaît brillante aux longueurs d’onde ultraviolettes, mais très faible aux longueurs d’onde des rayons X. De plus, sa rougeur sur le relevé GOODS-North est probablement le produit de la lumière du quasar qui est rougie par la poussière de la combustion. L’équipe a interprété cela pour suggérer que GNz7q abrite bien un trou noir à croissance rapide. Plus précisément, ces résultats suggèrent que le noyau du disque d’accrétion, d’où proviennent les rayons X, est toujours obscurci ; tandis que la partie externe du disque d’accrétion, d’où provient la lumière UV, se dégage. Il ajoute : « GNz7q établit un lien direct entre ces deux populations rares et offre une nouvelle voie pour comprendre la croissance rapide des trous noirs supermassifs au début de l’univers ».

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Trouver GNz7q caché à la vue de tous n’a été possible que grâce aux ensembles de données à plusieurs longueurs d’onde uniques et détaillées disponibles pour GOODS-North. Sans cette richesse de données, GNz7q aurait été facile à négliger, car il lui manquait les caractéristiques distinctives habituellement utilisées pour identifier les quasars dans l’univers primitif. L’équipe espère maintenant rechercher systématiquement des objets similaires à l’aide de relevés haute résolution dédiés, et tirer parti des instruments spectroscopiques du télescope spatial James Webb de la NASA pour étudier des objets tels que GNz7q avec des détails sans précédent.

Fujimoto conclut : « Caractériser pleinement ces objets et sonder leur évolution et leur physique sous-jacente de manière beaucoup plus détaillée deviendra possible avec le télescope spatial James Webb. Une fois en fonctionnement régulier, Webb aura le pouvoir de déterminer de manière décisive la fréquence réelle de ces trous noirs à croissance rapide ».

En conclusion, ces données, associées à la mise en service du télescope James-Webb, nous permettront donc de mieux comprendre comment se sont formés et ont évolué la Voie lactée et son trou noir supermassif.

Source : Nature

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