La transition des taux de formation d’étoiles et de croissance des trous noirs à mesure que le redshift diminue depuis les régimes où la rétroaction positive domine jusqu’à une époque ultérieure où la rétroaction est largement négative. Crédit
Steven Burrows, Rosemary Wyse et Mitch Begelman
Le Télescope spatial James WebbLa découverte par les premières galaxies dotées de trous noirs massifs remet en question les théories traditionnelles de la formation des galaxies, en proposant un développement synchrone des trous noirs et des étoiles, une découverte qui pourrait remodeler notre compréhension de l’évolution cosmique.
Les astronomes cherchent depuis longtemps à comprendre les débuts de l’univers, et grâce au télescope spatial James Webb (JWST), une pièce essentielle du puzzle est apparue. Les « yeux » de détection infrarouge du télescope ont repéré un ensemble de petits points rouges, identifiés comme étant parmi les premières galaxies formées dans l’univers.
Cette découverte surprenante n’est pas seulement une merveille visuelle, c’est un indice qui pourrait révéler les secrets de la façon dont les galaxies et leurs énigmatiques trous noirs ont commencé leur voyage cosmique.
« La découverte étonnante de James Webb est que non seulement l’univers possède ces objets très compacts et brillants dans l’infrarouge, mais qu’il s’agit probablement de régions où d’énormes trous noirs existent déjà », explique Mitch Begelman, membre du JILA et professeur d’astrophysique à l’Université du Colorado à Boulder. « On pensait que c’était impossible. »
Begelman et une équipe d’autres astronomes, dont Joe Silk, professeur d’astronomie à l’Université Johns Hopkins, ont publié leurs découvertes dans Le Lettres de journaux astrophysiquessuggérant que de nouvelles théories sur la création galactique sont nécessaires pour expliquer l’existence de ces énormes trous noirs.
« Quelque chose de nouveau est nécessaire pour réconcilier la théorie de la formation des galaxies avec les nouvelles données », explique Silk, l’auteur principal de l’étude potentiellement révolutionnaire.
Le conte traditionnel de la formation de la galaxie
Les astronomes avaient déjà postulé une évolution quelque peu ordonnée lorsqu’ils réfléchissaient à la formation des galaxies. Les théories conventionnelles pensaient que les galaxies se formaient progressivement, s’assemblant sur des milliards d’années. Dans cette lente évolution cosmique, on pensait que les étoiles émergeaient en premier, éclairant les ténèbres primordiales.
« L’idée était que l’on passait de cette première génération d’étoiles à des galaxies réellement dominées par les étoiles », ajoute Begelman. « Puis, vers la fin de ce processus, vous commencez à construire ces trous noirs. »
On pensait que les trous noirs supermassifs, ces entités énigmatiques et puissantes, apparaissaient après les premières étoiles, se développant tranquillement dans le noyau galactique. Ils étaient considérés comme des régulateurs, entrant parfois en action pour tempérer la formation de nouvelles étoiles, maintenant ainsi un équilibre galactique.
Remettre en question la sagesse conventionnelle
Grâce aux observations des « petits points rouges » du JWST, les chercheurs ont découvert que les premières galaxies de l’univers étaient plus brillantes que prévu, car beaucoup montraient des étoiles coexistant avec des trous noirs centraux appelés quasars.
« Les quasars sont les objets les plus lumineux de l’univers », explique Silk. « Ce sont les produits de l’accrétion de gaz sur des trous noirs massifs dans les noyaux des galaxies qui génèrent d’immenses luminosités, éclipsant leurs galaxies hôtes. Ils sont comme des monstres dans un nid de coucou.
Constatant la coexistence d’étoiles et de trous noirs, les chercheurs se sont vite rendu compte que les théories conventionnelles sur la formation des galaxies devaient être erronées. « (Ces nouvelles données) semblent (le processus) inversé, à savoir que ces trous noirs se sont formés avec les premières étoiles, puis que le reste de la galaxie a suivi », explique Begelman. « Nous disons que la croissance du trou noir, dans un premier temps, fait la promotion des stars. Et ce n’est que plus tard, lorsque les conditions changent, que cela se transforme en un mode d’extinction des étoiles.
À partir de ce nouveau processus proposé, les chercheurs ont découvert que la relation entre la formation d’étoiles et la formation de trous noirs semblait plus étroite que prévu, car chacune amplifiait initialement la croissance de l’autre via un processus connu sous le nom de rétroaction positive.
« La formation d’étoiles accélère la formation massive de trous noirs, et vice versa, dans un jeu inextricablement lié de violence, de naissance et de mort qui est le nouveau phare de la formation des galaxies », explique Silk.
Puis, après presque un milliard d’années, les géants nourriciers sont devenus suppressifs, épuisant les réservoirs de gaz de leurs galaxies et éteignant la formation d’étoiles. Cette « rétroaction négative » était due à des flux sortants économes en énergie – des vents puissants qui chassaient le gaz des galaxies, les privant de la matière nécessaire à la création de nouvelles étoiles.
Une nouvelle chronologie galactique
Forts de la révélation du comportement nourricier des trous noirs, les chercheurs ont proposé une nouvelle chronologie pour le passage d’une rétroaction positive à une rétroaction négative au début de la formation des galaxies. En examinant les différents spectres lumineux et signatures chimiques émises par ces « petits points rouges », les chercheurs ont suggéré que ce changement s’était produit il y a environ 13 milliards d’années, soit un milliard d’années après le Big Bang, une période que les astronomes classent comme « z ≈6 ». »
L’identification de cette époque de transition aide les astronomes à cibler des périodes spécifiques de l’histoire de l’univers à des fins d’observation. Il peut guider les futures stratégies d’observation utilisant des télescopes comme JWST et d’autres pour étudier plus efficacement l’univers primitif. De plus, en comprenant quand ce changement s’est produit, les astronomes peuvent mieux contextualiser les caractéristiques des galaxies modernes, notamment leur taille, leur forme, leur composition en étoiles et leur niveau d’activité.
Valider un nouveau processus
Pour valider cette nouvelle théorie de la formation galactique collaborative entre les étoiles et les trous noirs, et mieux comprendre les processus impliqués, des simulations informatiques sont nécessaires.
« Cela prendra du temps », dit Begelman. « Les simulations informatiques actuelles sont plutôt primitives et il faut une haute résolution pour tout comprendre. Cela nécessite beaucoup de puissance de calcul et coûte cher.
D’ici là, la communauté astronomique peut prendre d’autres mesures pour examiner et valider cette nouvelle théorie.
« Les prochaines étapes viendront de l’amélioration des observations », ajoute Silk. « La pleine puissance du JWST pour étudier les spectres des galaxies les plus lointaines sera exploitée au cours des prochaines années. »
Begelman et Silk sont tous deux optimistes quant à l’adoption de l’idée proposée par le reste de leur domaine.
« Pour autant que je sache, nous sommes les premiers à aller dans une direction aussi extrême », ajoute Begelman. « J’ai en quelque sorte repoussé les limites au fil des années avec mes collaborateurs travaillant sur ce problème de formation de trous noirs. Mais JWST nous montre que nous ne sommes pas suffisamment sortis des sentiers battus.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir La course primordiale entre les trous noirs et les galaxies.
