Vue d'artiste de la région centrale lumineuse d'un quasar, une galaxie active. Le trou noir supermassif au centre est entouré d'un disque brillant de gaz et de poussière. La poussière plus éloignée peut obscurcir la vue de l'intérieur et brille principalement dans la gamme de l'infrarouge moyen, une lumière qui peut être analysée par le télescope spatial James Webb. Un faisceau de particules groupées et à haute énergie sort dans l'espace depuis le voisinage immédiat du trou noir perpendiculairement au disque. Crédit : © T. Müller / MPIA
Étonnamment peu spectaculaire : le trou noir pesait déjà plus d'un milliard de masses solaires dans l'univers primitif, malgré un appétit moyen.
En observant les premiers stades de l'univers vieux de 13,8 milliards d'années, Télescope spatial James Webb a repéré une galaxie telle qu'elle existait seulement 700 millions d'années après la Big BangIl est étonnant de voir comment le trou noir En son centre, le noyau pouvait déjà peser un milliard de masses solaires lorsque l'univers était encore à ses balbutiements. Les observations de James Webb avaient pour but d'examiner de plus près le mécanisme d'alimentation, mais elles n'ont rien révélé d'extraordinaire. Apparemment, les trous noirs se développaient déjà de la même manière qu'aujourd'hui. Mais le résultat est d'autant plus significatif : il pourrait montrer que les astronomes en savent moins qu'ils ne le pensaient sur la formation des galaxies. Et pourtant, les mesures ne sont en aucun cas décevantes. Au contraire.
Le mystère des premiers trous noirs
Le premier milliard d’années de l’histoire cosmique pose un défi : les premiers trous noirs connus au centre des galaxies ont des masses étonnamment importantes. Comment sont-ils devenus si massifs, si rapidement ? Les nouvelles observations décrites ici apportent des preuves solides contre certaines explications proposées, notamment contre un « mode d’alimentation ultra-efficace » pour les premiers trous noirs.
Les limites de la croissance des trous noirs supermassifs
Les étoiles et les galaxies ont énormément changé au cours des 13,8 milliards d'années écoulées, soit la durée de vie de l'Univers. Les galaxies sont devenues plus grandes et ont acquis davantage de masse, soit en consommant du gaz environnant, soit (occasionnellement) en fusionnant les unes avec les autres. Pendant longtemps, les astronomes ont supposé que les trous noirs supermassifs au centre des galaxies auraient grandi progressivement, en même temps que les galaxies elles-mêmes.
Mais la croissance d’un trou noir ne peut pas être arbitrairement rapide. La matière qui tombe sur un trou noir forme un « disque d’accrétion » tourbillonnant, chaud et brillant. Lorsque cela se produit autour d’un trou noir supermassif, le résultat est un noyau galactique actif. Les objets les plus brillants de ce type, appelés quasars, sont parmi les objets astronomiques les plus brillants de tout le cosmos. Mais cette luminosité limite la quantité de matière qui peut tomber sur le trou noir : la lumière exerce une pression qui peut empêcher la matière supplémentaire de tomber à l’intérieur.
Comment les trous noirs sont-ils devenus si massifs et si rapides ?
C’est pourquoi les astronomes ont été surpris de voir, au cours des vingt dernières années, des observations de quasars lointains révéler des trous noirs très jeunes, dont la masse atteignait pourtant 10 milliards de masses solaires. La lumière met du temps à se propager d’un objet lointain jusqu’à nous. Observer des objets lointains revient donc à plonger dans un passé lointain. Nous voyons les quasars les plus lointains connus tels qu’ils étaient à une époque appelée « l’aube cosmique », moins d’un milliard d’années après le Big Bang, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées.
Expliquer la formation de ces premiers trous noirs massifs représente un défi considérable pour les modèles actuels de l’évolution des galaxies. Se pourrait-il que les premiers trous noirs aient été beaucoup plus efficaces pour accréter du gaz que leurs homologues modernes ? Ou bien la présence de poussière pourrait-elle affecter les estimations de masse des quasars d’une manière qui aurait conduit les chercheurs à surestimer la masse des premiers trous noirs ? De nombreuses explications ont été proposées à l’heure actuelle, mais aucune n’est largement acceptée.
Un examen plus approfondi de la croissance précoce des trous noirs
Pour déterminer laquelle des explications est correcte, il faut disposer d'une image plus complète des quasars que celle dont on disposait jusqu'à présent. Avec l'avènement du télescope spatial JWST, et plus particulièrement de son instrument MIRI dans l'infrarouge moyen, la capacité des astronomes à étudier les quasars lointains a fait un bond de géant. Pour mesurer les spectres des quasars lointains, MIRI est 4 000 fois plus sensible que tout autre instrument précédent.
Les instruments comme MIRI sont construits par des consortiums internationaux, dans lesquels scientifiques, ingénieurs et techniciens travaillent en étroite collaboration. Naturellement, un consortium est très intéressé par le fait de vérifier si son instrument fonctionne aussi bien que prévu. En échange de la construction de l'instrument, les consortiums bénéficient généralement d'un certain temps d'observation. En 2019, des années avant le lancement du JWST, le consortium européen MIRI a décidé d'utiliser une partie de ce temps pour observer ce qui était alors le quasar le plus éloigné connu, un objet qui porte la désignation J1120+0641.
Observation de l'un des premiers trous noirs
L'analyse des observations a été confiée à Sarah Bosman, chercheuse postdoctorale à l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) et membre du consortium européen MIRI. Les contributions de MPIA à l'instrument MIRI comprennent la construction d'un certain nombre de pièces internes essentielles. Sarah Bosman a été invitée à rejoindre la collaboration MIRI spécifiquement pour apporter son expertise sur la meilleure façon d'utiliser l'instrument pour étudier l'Univers primitif, en particulier les premiers trous noirs supermassifs.
Les observations ont été réalisées en janvier 2023, lors du premier cycle d'observations du JWST, et ont duré environ deux heures et demie. Elles constituent la première étude dans l'infrarouge moyen d'un quasar à l'aube cosmique, soit seulement 770 millions d'années après le Big Bang (décalage vers le rouge z = 7). Les informations ne proviennent pas d'une image, mais d'un spectre : la décomposition en arc-en-ciel de la lumière de l'objet en composantes de différentes longueurs d'onde.
Suivi de la poussière et des gaz en mouvement rapide
La forme générale du spectre infrarouge moyen (« continuum ») code les propriétés d’un grand tore de poussière qui entoure le disque d’accrétion des quasars typiques. Ce tore aide à guider la matière vers le disque d’accrétion, « alimentant » le trou noir. La mauvaise nouvelle pour ceux qui préfèrent des modes de croissance rapides alternatifs aux trous noirs massifs primitifs : le tore, et par extension le mécanisme d’alimentation de ce quasar très précoce, semblent être les mêmes que pour ses homologues plus modernes. La seule différence est celle qu’aucun modèle de croissance rapide des quasars précoces n’avait prédite : une température de poussière légèrement plus élevée, d’environ une centaine de kelvins, que les 1 300 K trouvés pour la poussière la plus chaude des quasars moins éloignés.
La partie du spectre à longueur d'onde plus courte, dominée par les émissions du disque d'accrétion lui-même, montre que pour nous, observateurs distants, la lumière du quasar n'est pas atténuée par une quantité de poussière plus importante que d'habitude. Les arguments selon lesquels nous surestimons peut-être simplement la masse des trous noirs primitifs à cause de la poussière supplémentaire ne sont pas non plus la solution.
Les premiers quasars « étonnamment normaux »
La région des raies larges du quasar, où des amas de gaz gravitent en orbite autour du trou noir à des vitesses proches de celle de la lumière – ce qui permet de déduire la masse du trou noir, la densité et l'ionisation de la matière environnante – semble également normale. D'après presque toutes les propriétés déduites du spectre, J1120+0641 ne diffère pas des quasars des époques ultérieures.
« Dans l’ensemble, les nouvelles observations ne font qu’ajouter au mystère : les premiers quasars étaient étonnamment normaux. Quelle que soit la longueur d’onde à laquelle nous les observons, les quasars sont presque identiques à toutes les époques de l’Univers », explique Bosman. Non seulement les trous noirs supermassifs eux-mêmes, mais aussi leurs mécanismes d’alimentation étaient apparemment déjà complètement « matures » lorsque l’Univers n’avait que 5 % de son âge actuel. En excluant un certain nombre de solutions alternatives, les résultats soutiennent fortement l’idée que les trous noirs supermassifs ont commencé avec des masses considérables dès le départ, dans le jargon de l’astronomie : qu’ils sont « primordiaux » ou « ensemencés en masse ». Les trous noirs supermassifs ne se sont pas formés à partir des restes d’étoiles primitives, mais sont ensuite devenus massifs très rapidement. Ils ont dû se former très tôt avec des masses initiales d’au moins cent mille masses solaires, probablement par l’effondrement de nuages de gaz massifs primitifs.
