Le télescope James Webb vient de repérer la paire de trous noirs la plus ancienne et la plus proche du premier univers

Les astronomes ont découvert une paire rapprochée de trous noirs supermassifs qui se nourrissent activement, observés lorsque l’univers n’avait que 1,3 milliard d’années. Connus collectivement sous le nom de LID-1166, les deux monstres ne sont séparés que par environ 4 900 années-lumière (1,5 kiloparsecs) à l’intérieur d’une galaxie en fusion, offrant la première vue claire d’une phase critique pour comprendre la croissance des trous noirs supermassifs.

La plupart des grandes galaxies que nous pouvons observer se sont formées sur des milliards d’années en fusionnant avec d’autres galaxies. La plupart des galaxies ont également une trous noirsdonc une fusion entre eux produirait un système avec deux trous noirs. On pense que ces systèmes de « double trou noir » étaient courants dans l’univers primitif. Cependant, étant donné qu’ils sont enfouis dans des gaz et des poussières denses, ces trous noirs sont trop proches pour être observés séparément.

Dans une nouvelle étude téléchargée sur le arXiv serveur de préimpression le 21 juillet Hyewon Suhun astronome de l’Observatoire international Gemini/NSF NOIRLab, et ses collègues ont rapporté la découverte du système de trous noirs doubles les plus proches jamais confirmé aussi tôt dans l’histoire de l’univers. L’équipe a utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) et l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), une collection de radiotélescopes au Chili, pour étudier ce système. L’article a été accepté pour publication dans la revue Nature Astronomy.

« Ce qui rend cette découverte spéciale, c’est que nous pourrions voir ces deux trous noirs se développer et interagir dans un système qui ne date que d’environ 1,3 milliard d’années après le Big Bang. » Anna Trindade Falcãoun astrophysicien du Goddard Space Flight Center de la NASA qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré à Live Science.

Un couple « proche » lointain

LID-1166 a d’abord attiré l’attention des astronomes en tant que source de rayons X dans le cadre du Chandra COSMOS Legacy Survey, mais il est resté totalement indétectable, même dans les images les plus profondes du télescope spatial Hubble. Le fort signal de rayons X faisait allusion à une puissante activité alimentaire.

Pour comprendre ce qui produisait ces fortes émissions, l’équipe s’est tournée vers l’instrument spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) de JWST, qui a révélé deux sources compactes et lumineuses situées à 4 900 années-lumière l’une de l’autre. Bien que les astronomes aient repéré d’autres candidats à deux trous noirs encore plus tôt dans l’histoire du cosmos, ces paires étaient séparées par des dizaines de milliers d’années-lumière, voire plus. LID-1166 est le premier cas confirmé de deux trous noirs aussi proches l’un de l’autre.

« Cette étape de la découverte n’a pu se produire que grâce aux capacités d’imagerie et spectroscopiques exquises du JWST, et en particulier de son instrument NIRSpec », co-auteur de l’étude Roberto Decarliun astronome de l’Institut national italien d’astrophysique de Bologne, a déclaré à Live Science dans un e-mail. « Des observations similaires depuis le sol seraient extrêmement difficiles en raison de la mauvaise transparence de l’atmosphère à ces longueurs d’onde. »

« Des preuves significatives »

Les deux objets présentaient des signatures spectrales de gaz tourbillonnant à grande vitesse, indiquant l’alimentation active de trous noirs, également connus sous le nom de noyaux galactiques actifs, alimentant le système de fusion. Trindade Falcão a déclaré que les chercheurs ont testé plusieurs méthodes pour soustraire la lumière de la galaxie principale, et que le signal à la position du deuxième objet y est resté à chaque fois, ce qui est une « preuve significative » que le signal est réel.

Néanmoins, elle dit qu’il vaudrait la peine de vérifier, avec une analyse de suivi plus détaillée, que les données montrent bien deux trous noirs distincts – plutôt qu’un trou noir et une lueur restante étant confondus avec un deuxième.

En utilisant les données d’ALMA, l’équipe a également détecté un grand bassin de gaz froid associé à chaque AGN, ce qui, selon Decarli, « indique que les deux AGN résident au centre de deux galaxies sur le point de fusionner ».

La présence de l’environnement galactique autour de chaque trou noir a aidé l’équipe à exclure d’autres scénarios exotiques sur la formation de ce système. Par exemple, si l’un des trous noirs était expulsé de sa galaxie d’origine lors du processus de fusion, ou projeté par une interaction gravitationnelle chaotique à trois voies, le trou noir se déplacerait rapidement, sans aucun gaz autour de lui. Il apparaîtrait comme un trou noir « nu », dépouillé de son environnement. Mais ce n’est pas ce que montrent les observations.

Croissance monstrueuse

Cette découverte pourrait également aider les astronomes à comprendre l’une des plus grandes énigmes de l’astronomie : comment certains trous noirs supermassifs se sont développés si rapidement dans l’univers primitif. Les modèles qui expliquent cette croissance rapide reposent sur la même idée selon laquelle le gaz se précipite depuis toute la galaxie et est canalisé vers le centre, alimentant le trou noir, a expliqué Decarli.

« La cannibalisation d’autres galaxies fait partie de ce processus », a-t-il déclaré. « Mais et si ces galaxies hébergeaient également un trou noir massif en leur centre ? » L’étude de systèmes comme LID-1166 « nous aidera à faire la lumière sur la manière dont se déroulera la croissance de ces galaxies et trous noirs », a-t-il ajouté.

L’idée de base selon laquelle les premières galaxies fusionnent et rapprochent leurs trous noirs n’est pas surprenante en soi, car c’est quelque chose que la théorie prédit depuis des années, a noté Trindade Falcão. « Ce qui est frappant ici, c’est de résoudre ce processus dans une paire obscurcie distante de seulement 1,5 kiloparsecs », a-t-elle déclaré, et c’est la première étape vers la découverte d’une population cachée de trous noirs dont, en théorie, nous savons qu’ils devraient exister.

Découvrez tout ce que vous savez sur les trous noirs avec notre