Détection de six galaxies « piégées » dans la toile cosmique d’un trou noir supermassif

Solution aux équations de la relativité générale d’Albert Einstein, les trous noirs intriguent les astrophysiciens depuis leur première formulation théorique. Aujourd’hui, leur existence ne fait plus débat, l’Event Horizon Telescope ayant fourni la toute première image structurelle d’un trou noir en 2018. Ils sont classés en trois catégories selon leur masse : trous noirs stellaires, intermédiaires et supermassifs. Pour ces derniers, l’on ne connait toujours pas leur mécanisme de formation, ni comment certains ont pu émerger si tôt dans l’Univers. Récemment, une équipe de chercheurs a observé plusieurs galaxies évoluant dans les mailles d’une toile cosmique ayant pour centre un trou noir supermassif. Une découverte qui pourrait expliquer comment ces trous noirs ont pu croître si rapidement.

Avec l’aide du Very Large Telescope (VLT) de l’ESO, des astronomes ont découvert six galaxies évoluant autour d’un trou noir supermassif alors que l’Univers avait moins d’un milliard d’années. C’est la première fois qu’un groupe aussi étroit est observé si peu de temps après le Big Bang et la découverte nous aide à mieux comprendre comment les trous noirs supermassifs, dont l’un existe au centre de notre Voie lactée, se sont formés et ont atteint rapidement leur taille énorme. Cela soutient la théorie selon laquelle les trous noirs peuvent se développer rapidement dans de grandes structures en forme de toile qui contiennent beaucoup de gaz pour les alimenter.

Un vestige de l’Univers jeune

Les nouvelles observations avec le VLT ont révélé plusieurs galaxies entourant un trou noir supermassif, toutes situées dans une toile cosmique de gaz s’étendant jusqu’à plus de 300 fois la taille de la Voie lactée. « Les filaments de la toile cosmique sont comme les fils de toile d’araignée. Les galaxies émergent et se développent là où les filaments se croisent, et les courants de gaz — disponibles pour alimenter à la fois les galaxies et le trou noir supermassif central — peuvent s’écouler le long des filaments », explique Marco Mignoli.

La lumière de cette grande structure en forme de toile, avec son trou noir d’un milliard de masses solaires, nous est parvenue depuis une époque où l’Univers n’avait que 900 millions d’années. « Notre travail a placé une pièce importante dans le puzzle largement incomplet qu’est la formation et la croissance d’objets aussi extrêmes, mais relativement abondants, si rapidement après le Big Bang », déclare Roberto Gilli.

Les tout premiers trous noirs, dont on pense qu’ils se sont formés à la suite de l’effondrement des premières étoiles, ont dû croître très rapidement pour atteindre des masses d’un milliard de masses solaires au cours des 900 millions d’années de la vie de l’Univers. Mais les astronomes ont du mal à expliquer comment des quantités suffisamment importantes de matière auraient pu être disponibles pour permettre à ces objets d’atteindre des tailles aussi énormes en si peu de temps.

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Trous noirs supermassifs : ils grandiraient grâce aux toiles cosmiques

La structure nouvellement trouvée offre une explication probable : la « toile d’araignée » et les galaxies qu’elle contient possèdent suffisamment de gaz pour fournir le carburant dont le trou noir central a besoin pour devenir rapidement un trou noir supermassif. Mais comment ces grandes structures se sont-elles formées en premier lieu ? Les astronomes pensent que les halos géants de matière noire sont essentiels pour l’expliquer.

On pense que ces grandes régions de matière invisible ont attiré d’énormes quantités de gaz dans l’Univers primitif ; ensemble, le gaz et la matière noire forment les structures en forme de toile où les galaxies et les trous noirs peuvent évoluer. « Notre découverte confirme l’idée que les trous noirs les plus éloignés et les plus massifs se forment et se développent dans des halos de matière noire massifs dans des structures à grande échelle, et que l’absence de détections antérieures de ces structures était probablement due à des limitations d’observation », explique Colin Norman de l’Université Johns Hopkins.

Les galaxies détectées sont parmi les plus faibles que les télescopes actuels puissent observer. Cette découverte a nécessité des observations pendant plusieurs heures à l’aide des plus grands télescopes optiques disponibles, y compris le VLT. À l’aide des instruments MUSE et FORS2 du VLT de l’observatoire Paranal de l’ESO dans le désert chilien d’Atacama, l’équipe a confirmé le lien entre quatre des six galaxies et le trou noir.

Sources : Astronomy & Astrophysics