Un objet tapi dans l’aube brumeuse de l’Univers vient de surprendre les astronomes.
Les observations recueillies par le télescope spatial James Webb ont révélé un trou noir supermassif actif de 10 millions de fois la masse du Soleil – un trou qui se développe activement à mesure qu’il aspire la matière de l’espace qui l’entoure.
À seulement 570 millions d’années après le Big Bang, il s’agit du premier trou noir supermassif à croissance détecté à ce jour, bien que les scientifiques espèrent qu’il ne restera pas longtemps le détenteur du record.
Le trou noir a été trouvé à l’intérieur de l’une des premières galaxies jamais détectées, anciennement connue sous le nom d’EGSY8p7, mais renommée depuis CEERS_1019. Sa découverte pourrait aider à résoudre l’un des plus gros casse-tête de l’Univers primitif : comment les trous noirs de l’Aube cosmique ont atteint de si grandes tailles en si peu de temps.
Un article détaillant la découverte menée par l’astrophysicienne Rebecca Larson de l’Université du Texas à Austin a été soumis à Le Journal Astrophysiqueet est disponible sur le serveur de préimpression arXiv.
“Nous avons trouvé le noyau galactique actif le plus éloigné (AGN) et le trou noir le plus éloigné et le plus ancien que nous ayons jamais trouvé”, a déclaré Larson à ScienceAlert.
Larson était initialement examinant CEERS_1019 dans le cadre de son travail sur la lumière produite par la formation d’étoiles au tout début de l’Univers. On pense que cette lumière, appelée émission Lyman-alpha, est générée par l’ionisation de l’hydrogène neutre par l’activité de formation d’étoiles. L’univers primitif était rempli d’un brouillard d’hydrogène neutre, qui empêchait la lumière de se propager ; ce n’est qu’après que cet hydrogène a été ionisé que la lumière pouvait circuler librement.
Cette époque de réionisation, comme on l’appelle, n’est pas entièrement comprise. Nous savons que cela s’est produit dans le premier milliard d’années après le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années, mais il est vraiment difficile de voir cela loin dans l’Univers primordial. CEERS_1019 et une poignée d’autres galaxies super-précoces sont d’excellentes cibles pour cette recherche, car elles sont relativement brillantes.
La galaxie était identifié dans les données Hubble en 2015, et à l’époque, était la galaxie la plus ancienne et la plus éloignée observée. Des observations ultérieures ont confirmé son existence, mais des informations plus détaillées sont restées insaisissables : la première lumière de l’Univers s’est déplacée si loin dans la partie infrarouge du spectre en raison de l’expansion de l’Univers qu’un instrument infrarouge puissant et dédié comme JWST est nécessaire pour les sonder.
Ainsi, lorsque JWST est arrivé, CEERS_1019 – la plus brillante des galaxies Hubble de cette époque – était une cible évidente. Le télescope a regardé la galaxie pendant seulement une heure, avec ses quatre instruments, mais a renvoyé une mine de données.
“Au moment où j’étais un peu comme, wow regardez tout ce que nous pouvons voir avec JWST, nous avons vu toute cette partie du spectre de cette galaxie – et toutes les galaxies au début de l’Univers – nous n’avons jamais vu auparavant, ” raconte Larson à ScienceAlert. “J’étais juste submergé par la quantité d’informations.”
Mais ensuite, elle remarqua quelque chose à laquelle elle ne s’attendait pas tout à fait. En plus de la lumière de la formation d’étoiles, il y avait une large caractéristique d’émission généralement associée à l’AGN. Et quand elle en a parlé à certains chercheurs de l’AGN, les choses ont commencé à devenir intéressantes.
Typiquement, une galaxie de l’Univers primordial émet soit de la lumière d’un AGN, soit de la lumière provenant de la formation d’étoiles. Voir les deux dans la même galaxie était extrêmement inattendu.
“J’ai été aussi surpris que tout le monde”, a déclaré Larson. “Nous avons eu toute cette dispute pendant des semaines, pour savoir lequel il devrait être, il devrait être l’un ou l’autre. Et il s’avère que ce sont les deux. Il y a un impact que le trou noir a sur les lignes d’émission que nous ‘vois, mais la plupart de la lumière que nous voyons dans nos images est toujours dominée par la partie de la galaxie qui forme les étoiles.”
Qu’un trou noir supermassif existait il y a plus de 13,2 milliards d’années, et a été vu grandir, n’est pas aussi surprenant qu’on pourrait le penser. Des trous noirs beaucoup plus grands ont été détectés dans l’Univers primordial ; J1342+0928, une galaxie quasar détectée 690 millions d’années après le Big Bang, possède un trou noir supermassif cadencé à 800 millions de soleils. Le trou noir dans J0313-1806670 millions d’années après le Big Bang, a été mesurée à 1,6 milliard de soleils.
Ces deux quasars sont dominés par l’émission AGN. Ce que CEERS_1019 semble représenter, selon Larson et ses collègues, est une étape intermédiaire : un point entre les galaxies plus tardives, plus grandes, dominées par l’AGN, et comment ces galaxies et leurs trous noirs ont commencé à se former en premier lieu.
“Nous ne savions pas et ne savons toujours pas comment les trous noirs de ces galaxies sont devenus si massifs, si tôt dans l’Univers”, explique Larson.
“Donc, ce que nous avons trouvé est ce que nous pensons être l’ancêtre ou la chose qui est devenue ces quasars incroyablement massifs.”
En regardant le trou noir supermassif dans CEERS_1019, les chercheurs pensent que l’objet s’est formé à partir de l’effondrement d’un objet massif, comme l’une des premières étoiles de l’Univers. Ces étoiles étaient beaucoup, beaucoup plus grosses que les étoiles que nous avons aujourd’hui, donc le trou noir d’un tel effondrement aurait eu une longueur d’avance sur sa voie pour devenir supermassif.
Mais il aurait quand même besoin d’un petit coup de pouce. Cela aurait pu prendre la forme d’une accrétion périodique de super-Eddington. La limite d’Eddington est le taux maximal durable auquel les trous noirs peuvent se développer. La matière tourbillonne autour d’un trou noir dans un disque, alimentant le trou noir comme de l’eau dans un égout. Au-delà de la limite d’Eddington, la matière se déplace si rapidement que, plutôt que de faire le tour du trou noir, elle s’envole dans l’espace. L’accrétion de Super-Eddington n’est possible que pendant de courtes périodes; mais, selon la modélisation de l’équipe, cela pourrait être possible dans des sursauts qui ont contribué à faire grossir le trou noir au centre de CEERS_1019.
Mais la meilleure façon d’en savoir plus à leur sujet est de trouver plus de galaxies intermédiaires, et cela semble extrêmement réalisable. Comme le souligne Larson, les résultats proviennent d’une heure d’observations seulement. Les observations vraiment profondes devraient révéler des galaxies plus lointaines et même plus faibles qui nous aideront enfin à comprendre comment l’Univers est né et comment il s’est développé.
“Je ne pense pas que mon record tiendra longtemps”, a déclaré Larson. “Et j’espère que non, parce que je pense que c’est plus excitant, que nous commençons à répondre à ces questions.”
La recherche a été soumise à Le Journal Astrophysiqueet est disponible sur arXiv.
