Ils sont grands, ils apparaissent au début de l’histoire de l’univers et leur origine est depuis longtemps un mystère. Depuis que les astronomes ont détecté pour la première fois l’existence d’objets supermassifs trous noirs au centre de la plupart des galaxies, il a été difficile d’expliquer pleinement leur origine.
Mais une observation récente avec le Télescope spatial James Webb (JWST) pourrait aider à résoudre l’énigme de la croissance si rapide des trous noirs supermassifs pour devenir les goliaths de l’univers primitif.
Le trou noir dans QSO1 était analysé pour la première fois en février 2024qui a révélé que la galaxie contenait un trou noir d’une masse à peu près équivalente à 50 millions de soleils.
Un récent étude de suivi dirigée par Ignas Juodžbalis de l’Université de Cambridge a confirmé l’estimation de masse originale et a également montré sans équivoque que QSO1 manque d’une composante significative de gaz et d’étoiles. Au lieu d’être un trou noir situé au centre d’une galaxie, c’est comme si le trou noir lui-même dominait le système et que la galaxie plus large manquait.
« C’est un système très étrange » Marta Volontériprofesseur à l’Institut d’Astrophysique de Paris, a déclaré dans une interview à LiveScience. « S’il y en a d’autres comme ça, ça devient vraiment bizarre. »
Volonteri est un expert de renommée mondiale dans le domaine de la formation de trous noirs supermassifs et a contribué à l’analyse de la masse du trou noir. « J’ai vérifié les résultats avec mon propre code. Il y a très peu de place pour une masse substantielle dans le système en dehors de celle du trou noir », a-t-elle déclaré.
Dans QSO1, la masse du trou noir est environ le double de celle du gaz et des étoiles environnantes. En revanche, le trou noir Sagittaire A*qui se trouve au centre de la Voie Lactée, a une masse qui ne représente qu’une infime fraction de la masse totale de la galaxie.
De mystérieux petits points rouges
Alors que JWST commençait à collecter des données en 2022, il a révélé une découverte surprenante : de nombreuses galaxies compactes aux teintes rouges surnommées « petits points rouges » observé à des époques correspondant à environ 500 millions à 1,5 milliard d’années après le Big Bang.
Leur nature exacte reste encore un mystère, mais ces systèmes anciens semblent indiquer que les galaxies, les trous noirs, ou les deux, ont évolué plus tôt et avec des masses ou des densités plus grandes que ce que les astronomes pensaient auparavant.
Des trous noirs peuvent se former lorsque des étoiles massives épuisent leur combustible nucléaire et s’effondrent sous leur propre gravité. À l’aube de l’univers, ces premiers trous noirs se seraient développés en se nourrissant d’un buffet d’étoiles, de nuages de gaz et d’autres trous noirs. Pourtant, lorsque les astronomes calculent la rapidité avec laquelle de tels trous noirs de masse stellaire pourraient accumuler de la matière, ils ont du mal à expliquer comment ils auraient pu devenir les géants cosmiques observés par JWST.
Un scénario alternatif est qu’au lieu d’être créés à partir d’étoiles, certains trous noirs du premier univers auraient pu être formés à partir de l’effondrement direct d’énormes nuages de gaz dotés de masses beaucoup plus importantes. Un tel scénario a été soutenu par la découverte de UHZ-1un trou noir qui présente des signes révélateurs d’un effondrement direct selon une étude dirigée par Priyamvada Natarajan de l’Université de Yale.
Mais le système QSO1, l’un des quelques centaines de petits points rouges analysés par les astronomes, semble s’être formé d’une manière différente.
« Mes co-auteurs ont suggéré que son origine pourrait être un trou noir primordial, ou bien de la matière noire qui s’est effondrée en raison de la façon dont elle interagit avec elle-même », a déclaré Volonteri. « En tout cas, le trou noir est apparu bien avant la matière ordinaire, comme le gaz et les étoiles. »
Trous noirs primordiaux
En 1967, les physiciens soviétiques Yakov B. Zeldovichet Igor D. Novikov ont proposé que, pendant un bref instant après le Big Bang, certaines régions de l’univers contenaient tellement de masse qu’elles ont implosé pour former des trous noirs. L’idée était développé par Stephen Hawking en 1971et a depuis été étudié à la fois théoriquement et par observation par plusieurs astrophysiciens.
Ces trous noirs primordiaux auraient non seulement une longueur d’avance en termes de croissance et de taille, mais seraient également au centre des galaxies qui se forment autour d’eux. « Le fait que le trou noir dans QSO1 ait tellement grandi sans qu’aucune formation d’étoiles ait lieu indique un cas dans lequel il s’est développé beaucoup plus rapidement que la galaxie », a déclaré Volonteri.
La question est donc de savoir si la découverte de QSO1 résout le problème de l’œuf ou de la poule qui s’est posé en premier : la galaxie ou le trou noir en son centre ?
« C’est un objet qui est encore en cours d’examen. J’espère que toute cette analyse est correcte, mais elle est très complexe. Mais ce que nous appelions les modèles exotiques ne le sont peut-être plus aussi », a conclu Volonteri.
Marta Volonteri a déjà été interviewée par l’auteur pour le livre Face à l’infini : les trous noirs et notre place sur Terrequi contient plus d’informations sur son travail et l’origine des trous noirs supermassifs. Lire un extrait exclusif ici.
