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Des monstres colossaux se cachent au centre de toutes les galaxies. Connus sous le nom de trous noirs supermassifs, ces bêtes gravitationnelles peuvent avoir des millions, voire des milliards de fois plus de masse que le soleil.
Pendant des décennies, les astronomes se sont demandés d’où venaient ces géants et comment ils étaient devenus si énormes. Au début, les physiciens pensaient que les trous noirs supermassifs se formaient comme d’autres trous noirs plus petits – avec de grandes étoiles s’effondrant et devenant des trous noirs de la taille d’un soleil qui dévoraient lentement la matière environnante et fusionnaient les unes avec les autres sur des milliards d’années.
De nouvelles recherches suggèrent que d’énormes trous noirs auraient pu exister dès les premiers jours de l’univers, peut-être même avant les étoiles et les galaxies, et qu’ils se sont produits de plusieurs manières. Alors que les découvertes futures aideront à affiner la prédominance de chaque mécanisme de formation, de nombreux acteurs du domaine sont déjà ravis de percer un mystère cosmique de longue date.
« C’est l’une des phases les plus excitantes de ma carrière », Roberto Maiolinoastrophysicien à l’Université de Cambridge, a déclaré à Live Science. « Je suis tenté de parler d’une véritable révolution dans notre compréhension de la formation de ces objets. »
Géants mystérieux
Des indices d’un écart de taille cosmique sont apparus au début des années 2000, lorsque des instruments tels que le Sloan Digital Sky Survey ont permis de capturer des données sur des dizaines de milliers d’objets extrêmement brillants appelés quasars dans l’univers lointain. On pense que ces entités lumineuses sont de gigantesques trous noirs situés au centre des galaxies. Ils se nourrissent de grandes quantités de gaz et de poussière, puis crachent de puissants rayonnements. L’enquête Sloan a montré que de nombreux quasars existaient lorsque l’univers n’avait que 800 millions d’années, soit une fraction de son âge actuel de 13,8 milliards d’années. L’existence de ces géants, qui ont des millions, voire des milliards de fois la masse du soleil, a été un véritable casse-tête pour les cosmologistes.
En effet, un trou noir typique apparaît lorsqu’une énorme étoile approche de la fin de sa vie et explose sous la forme d’une supernova ardente. Le noyau de l’étoile titanesque s’effondre en un point ultradense d’où rien, y compris la lumière, ne peut s’échapper. Ces trous noirs de taille stellaire sont généralement environ 10 à 100 fois plus massifs que le soleil. Bien que ces objets puissent être attirés gravitationnellement les uns par les autres et fusionner pour former des trous noirs de plus en plus grands, il ne semble pas y avoir suffisamment de temps pour que de tels processus les transforment en territoire à l’échelle des quasars dès les premiers stades de l’histoire cosmique.
« Nous savions que soit ils grandissaient très vite, soit qu’il fallait trouver d’autres moyens de les former », a déclaré l’astrophysicien. Ignas Juodzbaliségalement de l’Université de Cambridge, a déclaré à Live Science.
La question était de savoir comment. Une théorie dominante postule que, dans le passé, d’énormes amas de gaz et de poussière pouvaient s’effondrer sous son propre poidsformant rapidement un trou noir ayant peut-être 1 000 à 1 million de fois la masse du soleil. Ces trous noirs à effondrement direct, comme on les appelle, se développeraient ensuite en se nourrissant de gaz et de poussière et en fusionnant pour former les trous noirs supermassifs observés dans les centres galactiques actuels.
Les modèles prédisaient qu’à mesure que ces trous noirs se gorgeraient, ils deviendraient extrêmement brillants par rapport à leurs galaxies hôtes, correspondant ou dépassant la luminosité des étoiles environnantes. Autrement dit, ils deviendraient des quasars.
En 2023, JWST a repéré un galaxie lointaine, baptisée UHZ1qui semblait correspondre parfaitement au modèle de trou noir à effondrement direct. La galaxie existait lorsque l’univers n’avait que 470 millions d’années et contient un trou noir d’une masse estimée à 40 millions de soleils.
Les astronomes ont eu de la chance car UHZ1 a été repéré à la fois par JWST, qui voit dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique, et par l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA, qui voit dans la lumière des rayons X. La lumière infrarouge provient principalement des étoiles et de la poussière chaude chauffée par la lumière des étoiles, tandis que les rayons X plus puissants jaillissent du trou noir dévorant.
Et la luminosité infrarouge et celle des rayons X d’UHZ1 sont assez similaires, ce qui suggère un trou noir si grand qu’il rivalise avec la masse de toutes les étoiles de sa galaxie. (À titre de comparaison, une galaxie moderne comme notre Voie lactée a environ 20 000 fois plus de masse dans ses étoiles, gaz et poussières que dans son trou noir central.) Personne n’avait jamais rien vu de tel auparavant.
Mais les chercheurs avaient prédit exactement comment les couleurs émises par un trou noir à effondrement direct apparaîtraient dans les instruments du JWST, ainsi que plusieurs autres propriétés clés qui pourraient identifier un tel objet.
« Il s’avère que UHZ1 satisfait remarquablement à toutes ces propriétés », Priyamvada Natarajanastrophysicien à l’Université de Yale et auteur principal de l’article faisant ces prédictions, a déclaré à Live Science.
Petits points rouges
UHZ1 n’est pas seul. Presque dès sa mise en marche, JWST a détecté des entités rouges extrêmement compactes qui existaient principalement lorsque le cosmos avait entre un demi-milliard et 1,5 milliard d’années. Connu sous le nom de « des petits points rouges,« On pensait à l’origine qu’il s’agissait de galaxies beaucoup trop grandes pour s’être formées dans l’univers primitif, ce qui a conduit certains scientifiques à les appeler « briseurs d’univers » pour bouleverser les modèles de l’histoire cosmique. Le consensus dominant s’oriente désormais vers la possibilité que, plutôt que des galaxies inhabituellement grandes, il s’agisse de trous noirs bizarres et énormes.
Par exemple, un objet appelé QSO1 qui existait lorsque l’univers avait environ 700 millions d’années a été étudié intensément depuis sa découverte en 2023. Une enquête récente a porté sur le gaz tourbillonnant autour du centre de QSO1 pour tenter de déterminer sa masse avec une grande précision. Le gaz tourbillonnant se déplace à une certaine vitesse en fonction de la force gravitationnelle qui le tire pendant sa rotation. Grâce à cette technique, les astronomes ont montré que la masse de QSO1 est proche de celle de 50 millions de soleils. De plus, toute la masse semble se trouver dans une région compacte autour du trou noir, avec très peu de preuves d’une grande population stellaire.
« Nous ne voyons toujours pas où se trouve la galaxie hôte » Lucas Furtakun astronome de l’Université du Texas à Austin, a déclaré à Live Science. « Il ne semble pas vraiment y en avoir. »
Cette perspective – un gigantesque trou noir sans galaxie hôte visible – a été conjecturée mais jamais observée auparavant. Pourtant, cela semble être la raison pour laquelle bon nombre de ces petits points rouges. Une autre étude récente a analysé un objet nommé « La Falaise« , qui pèse probablement des milliards de fois plus que le soleil et date d’environ 1,8 milliard d’années après le Big Bang. Les données de JWST ont montré un saut très brusque de la lumière de The Cliff à une longueur d’onde étroite qui provient généralement de l’hydrogène gazeux dense à une température spécifique. Les résultats indiquent que The Cliff pourrait être un objet longtemps hypothétique appelé quasi-étoile ou étoile à trou noir.
Une quasi-étoile serait une étape potentielle dans l’évolution d’un trou noir à effondrement direct. Après que l’énorme morceau central de gaz se soit froissé pour former un trou noir, une sphère externe de gaz et de poussière resterait, chauffée par les émissions du trou noir et brillerait dans des longueurs d’onde rouges. Cette entité ressemblerait un peu à une étoile rouge géante mais serait en fait une enveloppe d’hydrogène gazeux chaud enveloppée autour d’un trou noir supermassif.
Au tout début
Bien que les modèles d’effondrement direct puissent expliquer une grande partie de ce que JWST observe, il reste quelques autres possibilités de formation de trous noirs supermassifs.
Proposés pour la première fois par Stephen Hawking dans les années 1970, les trous noirs primordiaux sont une classe d’objets qui aurait pu survenir dans les premiers instants après le Big Banglorsque les régions denses se sont effondrées sous leur propre poids. Ces trous noirs pourraient avoir une large gamme de tailles, y compris des trous suffisamment grands pour servir de germes initiaux à des trous noirs supermassifs ultérieurs. Une étude a montré que les fusions de Les trous noirs primordiaux pourraient expliquer GN-z11une galaxie datant d’une époque où l’univers n’avait que 400 millions d’années et qui contient un trou noir d’une masse estimée à 2 millions de soleils.
Une autre théorie postule l’existence de « des trous noirs pas tout à fait primordiaux » Ceux-ci se seraient produits dans les premiers millions d’années après le Big Bang – plus tard que les trous noirs primordiaux mais bien avant les étoiles – lorsque de grands nuages d’hydrogène et d’hélium se sont effondrés sous leur propre poids.
« Pour les trous noirs primordiaux, vous avez besoin de ces régions extrêmement denses du tout premier univers », Wenzer Qinphysicien théoricien à l’Université de New York, a déclaré à Live Science. Cela nécessite généralement de nombreux ajustements précis des paramètres d’un modèle cosmologique, a-t-elle ajouté. Lorsque vous relâchez un peu ces contraintes strictes, des régions denses apparaissent un peu plus tard dans l’histoire cosmique, créant des trous noirs à effondrement direct qui peuvent fusionner et devenir des trous noirs supermassifs.
Les astronomes pensent que presque tous les éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium ont été créés dans le ventre nucléaire des étoiles géantes et ont ensuite été dispersés dans l’univers lorsque ces étoiles sont devenues des supernova. La plupart des premiers trous noirs et des jeunes galaxies observés par JWST contiennent de faibles quantités de ces éléments lourds. Cela pourrait suggérer qu’au moins certains de ces objets se sont formés à partir de trous noirs primordiaux ou pas tout à fait primordiaux, étant donné que les deux seraient apparus bien avant l’existence des étoiles.
Les chercheurs débattent encore pour savoir lequel de ces modèles pourrait être dominant pour la formation de monstres-trous noirs, mais la plupart sont favorables à une vision mixte.
« Je pense qu’en fin de compte, ce sera une combinaison de tous ces mécanismes qui donnera naissance à la population entière de trous noirs supermassifs », a déclaré Qin.
D’autres missions telles que l’observatoire Euclid de l’Agence spatiale européenne, lancé en 2023, et le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, dont le lancement est prévu en 2027, feront équipe avec JWST pour découvrir et étudier davantage de trous noirs supermassifs précoces. Cela devrait aider les chercheurs à différencier ces mécanismes de formation et à déterminer lesquels, le cas échéant, sont les plus courants.
Une chose qui semble de plus en plus claire pour de nombreux astronomes est que les trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies ne proviennent probablement pas de trous noirs de taille stellaire.
Grâce à ses capacités inégalées, JWST a bouleversé notre compréhension des débuts de l’histoire cosmique et contribue à réécrire l’histoire de la façon dont de gigantesques trous noirs ont pu se développer.
« L’univers est jonché de trous noirs supermassifs qui se forment extrêmement tôt », a déclaré Natarajan. « Je ne peux pas vous dire à quel point c’est excitant. »
