Les astronomes découvrent la première preuve de lourdes graines de trous noirs dans l’univers primitif
Les astronomes ont peut-être découvert la première preuve de la présence de « graines » lourdes de trous noirs au début de l’univers.
Ces soi-disant graines pourraient aider à expliquer comment certains trous noirs supermassifs avec des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de fois celle du soleil, auraient pu croître assez rapidement pour exister moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
Potentiellement, les graines lourdes de trous noirs sont des trous noirs dont la masse est environ 40 millions de fois celle de notre soleil. On pense qu’ils se forment à partir de l’effondrement direct d’un énorme nuage de gaz, contrairement à votre trou noir typique qui naît lorsqu’une étoile massive atteint la fin de sa vie et s’effondre sous sa propre gravité. Les galaxies supposées héberger de telles graines de trous noirs lourdes sont appelées galaxies de trous noirs surdimensionnés (OBG).
Ces galaxies sont probablement très lointaines, observées avec notre télescope telles qu’elles l’étaient lorsque notre univers vieux de 13,8 milliards d’années avait environ 400 millions d’années. Et maintenant, les scientifiques pourraient enfin avoir identifié l’un de ces OBG.
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L’équipe, dirigée par Akos Bogdán, chercheur au Centre d’astrophysique de Harvard et du Smithsonian, a détecté pour la première fois un objet présentant une masse caractéristique des trous noirs alors qu’elle enquêtait sur un quasar à l’aide du télescope spatial James Webb (JWST) et de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA. Alimentés par des trous noirs supermassifs, les quasars sont des cœurs de galaxies extrêmement lumineux et actifs. En fait, ils peuvent être si brillants qu’ils éclipsent la lumière combinée de toutes les étoiles de la galaxie qui les héberge.
Celui étudié par Bogdán et ses collègues chercheurs vit dans une galaxie nommée UHZ1.
Et il s’est avéré que les données du JWST et de Chandra concernant UHZ1 étaient cohérentes avec ce que l’on pourrait attendre d’un OBG. L’équipe a découvert des émissions de rayons X en exploitant Chandra, et ces émissions ont indiqué un trou noir se nourrissant ou « s’accrétant » associé au quasar, ce qui était particulièrement convaincant pour identifier la galaxie environnante comme un OBG.
Les chercheurs ont également comparé leurs observations à des simulations de croissance rapide de graines lourdes de trous noirs, constatant qu’il y avait une bonne correspondance entre les deux. Le meilleur ajustement qu’ils ont trouvé lors de cette comparaison était celui d’une graine de 10 000 masses solaires poussant sur plusieurs centaines de millions d’années.
« Sur la base de l’excellent accord entre les propriétés multi-longueurs d’onde observées d’UHZ1 avec les prédictions du modèle théorique, nous suggérons que UHZ1 soit le premier candidat OBG détecté, sous réserve de la confirmation spectroscopique de son redshift », ont écrit les auteurs dans un article expliquant la découverte. . « Par conséquent, en tant que premier candidat OBG, UHZ1 fournit des preuves irréfutables de la formation de graines initiales lourdes à partir d’un effondrement direct dans l’univers primitif. »
Comment les graines lourdes stimulent la croissance des trous noirs
La taille énorme des trous noirs supermassifs ne dérange pas trop les scientifiques. En effet, ces titans cosmiques ont eu des milliards d’années pour se développer en se nourrissant des gaz et de la poussière environnants ainsi qu’en fusionnant avec d’autres trous noirs. Celui qui se trouve au cœur de la Voie lactée, Sagittaire A* (Sgr A*), a par exemple eu suffisamment de temps pour atteindre une masse d’environ 4,5 millions de fois celle du soleil. Le trou noir au cœur d’une galaxie nommée M87 a réussi à devenir encore plus grand, atteignant environ 5 milliards de fois la masse de notre étoile.
Mais comme on estime que ces mécanismes de croissance se dérouleront sur des milliards d’années, la découverte de trous noirs supermassifs similaires qui existaient entre seulement 500 millions d’années et à peine un milliard d’années après le Big Bang est un défi. Ces méthodes de rassemblement de masse n’auraient pas eu le temps nécessaire pour produire des trous noirs aussi gargantuesques. Pourtant, c’est exactement ce que les astronomes étudiant l’univers primitif avec le JWST et d’autres instruments ont découvert.
« C’est comme voir une famille marcher dans la rue, et ils ont deux adolescents de six pieds, mais ils ont aussi avec eux un bambin de six pieds de haut. C’est un peu un problème : comment le bambin est-il devenu si grand ? » John Reagan, chercheur à l’Université de Maynooth, qui n’a pas participé à cette recherche, a déclaré à Space.com. « Et c’est la même chose pour les trous noirs supermassifs de l’univers. Comment sont-ils devenus si massifs si rapidement ? »
Eh bien, une théorie est que ces trous noirs ont pris une longueur d’avance dans leurs processus d’accrétion de masse en se développant à partir de « graines » de trous noirs plus petites.
Deux courants de pensée prédominent à cet égard. D’une part, les experts suggèrent que des trous noirs supermassifs auraient pu se développer à partir de graines de trous noirs légers avec des masses environ 10 à 100 fois supérieures à celles du soleil. Ces graines de lumière naîtraient théoriquement via le mécanisme standard de création de trous noirs de masse stellaire, à savoir la mort et l’effondrement de la première génération d’étoiles de l’univers.
D’un autre côté, les premiers trous noirs supermassifs auraient pu se développer à partir de trous noirs lourds avec des masses énormes environ 100 000 fois la masse du soleil. Ceux-ci se seraient formés directement à partir de l’effondrement d’énormes nuages de matière, sautant ainsi complètement le « stade d’étoile » des autres trous noirs. Les astronomes appellent ces trous noirs des trous noirs à effondrement direct (DCBH).
Ces DCBH pourraient alors se développer parallèlement aux fusions galactiques, qui étaient courantes dans l’univers primitif, qui apporteraient également des réserves de gaz et de poussière pour régaler ces vides. Finalement, d’autres trous noirs auraient pu entrer en collision et fusionner avec ceux-ci.
Regan compare cela au petit enfant de six pieds de haut qui naît avec une longueur de trois pieds. C’est encore un peu déroutant (et peut-être un peu dérangeant), mais cela explique mieux comment le tout-petit a atteint la taille d’un adulte si rapidement, du moins plus facilement que s’il avait commencé avec la taille d’un nourrisson moyen.
On ne s’attend pas à ce que d’autres graines de trous noirs plus petites donnent naissance à des OBG, donc l’identification d’UHZ1 en tant que telle galaxie soutient ainsi l’existence de graines de trous noirs lourdes et donne de la crédibilité à leur rôle dans la croissance précoce des trous noirs supermassifs.
Les auteurs eux-mêmes soulignent cependant les limites de leurs recherches et appellent à la prudence avant d’extrapoler que la croissance du trou noir au sein d’UHZ1 a atteint un statut supermassif. Ils comprennent également que la possibilité d’une telle croissance dépendrait fortement de l’environnement dans lequel se trouve une graine potentielle, avec de grandes quantités de gaz et de poussière nécessaires pour soutenir sa croissance.
Il reste encore beaucoup de recherches à mener avant qu’une population de trous noirs à graines lourdes puisse être confirmée et que leur lien avec les trous noirs supermassifs de l’univers naissant puisse être établi, mais ces découvertes représentent au moins un pas dans la bonne direction. .
« Comme JWST détecte plus [distant and early] augmentant les trous noirs au cours des cycles à venir, nous prévoyons d’analyser ces sources, d’étudier d’éventuelles contreparties en rayons X avec Chandra et de développer une compréhension plus approfondie des OBG et de la physique des semis lourds », a conclu l’équipe.
« Cette détection fournit encore plus de preuves du scénario des graines lourdes », a déclaré Regan à Space.com. « En conjonction avec d’autres masses de trous noirs JWST qui ont été observées, je dirais que le poids de la preuve pointe désormais fortement vers un scénario de graines lourdes pour la croissance de trous noirs supermassifs. »
Les recherches de l’équipe ont été soumises à Astrophysical Journal Letters et sont actuellement publiées sur le référentiel papier arXiv.