Un ancêtre des trous noirs supermassifs, découvert à l’aube cosmique

Au centre des galaxies les plus massives de l’Univers se trouvent les phénomènes extrêmement puissants et énergétiques connus sous le nom de trous noirs supermassifs (SMBH). Cela inclut le SMBH au centre de la Voie lactée, la mystérieuse source radio connue sous le nom de Sagittaire A *. La présence de ces trous noirs rend les noyaux de ces galaxies particulièrement énergétiques – c’est-à-dire un noyau galactique actif (AGN) ou un quasar – et les fait éclipser toutes les autres étoiles du disque galactique combinés.

Pendant des décennies, les astronomes ont cherché à en savoir plus sur les SMBH et leur rôle dans l’évolution du cosmos. Une question particulièrement brûlante est de savoir comment les premiers SMBH se sont formés dans l’Univers, ce qui imposerait des contraintes sur la façon dont ils ont influencé les galaxies au fil du temps. Dans une découverte surprenante, une équipe internationale a observé l’ancêtre d’un SMBH pour la première fois. Ce trou noir (connu sous le nom de GNz7q) a existé pendant une période connue sous le nom de “Cosmic Dawn”, bien plus tôt que prévu.

L’équipe était dirigée par l’étudiant postdoctoral Seiji Fujimoto et le Prof. Gabriel Brammer du Cosmic Dawn Center (DAWN), un effort de collaboration entre l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague (UCPH) et DTU Space. Ils ont été rejoints par des chercheurs de l’Université technique du Danemark (DTU), de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA), de l’Observatoire astronomique de Rome, de l’Observatoire européen austral (ESO), de l’Observatoire Steward, de l’Observatoire de Genève, de l’Institut de radioastronomie Millimétrique, et l’Observatoire National de Radioastronomie (NRAO).

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Comme ils l’indiquent dans leur article, GNz7q a été découvert sur la base des données du télescope spatial Hubble de la NASA / ESA. D’après leur analyse, l’objet avait des propriétés qui se situaient quelque part entre celles d’une galaxie et celles d’un quasar. Cela les a amenés à conclure que l’objet était le prédécesseur d’un SMBH qui existait il y a plus de 13 milliards d’années, juste 750 millions d’années après le Big Bang. Cela coïncide avec la période connue sous le nom de “Cosmic Dawn”, lorsque les premières galaxies de l’Univers se sont formées.

Alors que des simulations antérieures modélisant l’expansion cosmique ont indiqué que de tels objets existaient à cette époque, c’est la première fois qu’un tel objet est observé. Dit Fujimoto, un boursier postdoctoral basé à l’Institut Niels Bohr, dans un récent communiqué de presse de l’UCPH :

“L’objet découvert relie deux populations rares d’objets célestes, à savoir les explosions d’étoiles poussiéreuses et les quasars lumineux, et offre ainsi une nouvelle voie pour comprendre la croissance rapide des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif.”

Cet ancêtre potentiel d’un SMBH a été découvert dans le cadre du Hubble GOODS North (BIENFAITS-N) enquête sur le terrain, l’une des plus grandes vues panoramiques de l’Univers primordial dans le spectre ultraviolet. Cette enquête comprenait environ 15 000 galaxies, dont 12 000 ont été observées comme ayant des taux élevés de formation d’étoiles. L’un d’eux était GNz7q, qui était visible comme une source ponctuelle rouge grâce à Hubblecapacités d’imagerie dans l’ultraviolet lointain (UV) et de spectroscopie sans fente.

Une analyse plus approfondie a indiqué qu’il est extrêmement faible en termes de rayons X, indiquant une région de formation d’étoiles compactes ultraviolette unique ou un disque d’accrétion de trous noirs au cœur poussiéreux de l’éclatement d’étoiles. L’équipe a conclu que les propriétés observées étaient cohérentes avec les prédictions faites par les simulations cosmologiques susmentionnées utilisées pour recréer le cycle de vie des galaxies et des quasars. Cela suggère en outre que GNz7q est lié de manière ancestrale aux quasars observés à des époques cosmiques plus récentes.

Chose intéressante, GNz7q a été trouvé au centre de Hubble GOODS-N, qui se trouve être l’un des champs d’enquête les plus étudiés. L’équipe n’a pu le remarquer qu’en raison des ensembles de données multi-longueurs d’onde richement détaillés de l’enquête. Sans ceux-ci, l’objet serait facilement passé inaperçu puisqu’il n’a pas les caractéristiques distinctives qui avaient des quasars pendant les premières époques de l’Univers.

Récolte du GNz7q dans le champ Hubble GOODS-North
Récolte du GNz7q dans le champ Hubble GOODS-North. Crédit : NASA/ESA/G. Illingworth (UCSC), P. Oesch (UCSC, Yale), R. Bouwens et I. Labbé (Leiden), et S. Fujimoto et al. (Centre de l’Aube Cosmique)

“Cela montre à quel point de grandes découvertes peuvent souvent être cachées juste devant vous”, a déclaré Bammer. Il est peu probable que la découverte de GNz7q dans le cadre de l’enquête GOODS-N relativement petite n’ait été qu’une “chance stupide”, mais plutôt que la prévalence de ces sources puisse, en fait, être nettement plus élevée qu’on ne le pensait auparavant. “

La découverte est liée à un certain type de quasars (objets quasi-stellaires), en particulier ceux qui ont des taux très élevés de formation d’étoiles et de poussière au centre. Avec les quasars plus anciens, tels que ceux observés plus près de la Voie lactée, leur luminosité résulte des SMBH qui font tomber de grandes quantités de gaz en orbite autour d’eux à des vitesses relativistes (une fraction de la vitesse de la lumière). Lorsque le gaz tombe vers le bord extérieur du trou noir (l’horizon des événements), il se réchauffe en raison d’un frottement intense et libère d’énormes quantités d’énergie sous forme de lumière et de chaleur.

En revanche, les jeunes galaxies avec des taux élevés de formation d’étoiles près de leurs noyaux les amènent à libérer une chaleur intense et de la poussière cosmique. Cette poussière absorbe la lumière autour du SMBH, faisant briller fortement le quasar dans le spectre infrarouge. Dans le cas de GNz7q, le taux de formation de nouvelles étoiles est 1 600 fois supérieur à celui de la galaxie de la Voie lactée, ce qui la rend plus lumineuse dans le spectre IR que tout objet connu ayant existé pendant cette période de l’Aube cosmique. Comme Brammer l’a expliqué :

“Comprendre comment les trous noirs supermassifs se forment et se développent dans l’univers primitif est devenu un mystère majeur. Les théoriciens ont prédit que ces trous noirs subissent une phase précoce de croissance rapide : un objet compact rougi par la poussière émerge d’une galaxie en étoile fortement obscurcie par la poussière, puis se transforme en un objet compact lumineux non obscurci en expulsant le gaz et la poussière environnants. »

“Bien que des quasars lumineux aient déjà été trouvés même aux premières époques de l’univers, la phase de transition de croissance rapide du trou noir et de son hôte d’éclatement d’étoiles n’avait pas été trouvée à des époques similaires. De plus, les propriétés observées sont en excellent accord avec les simulations théoriques et suggèrent que GNz7q est le premier exemple de la phase de transition et de croissance rapide des trous noirs au cœur de l’étoile poussiéreuse, un ancêtre du trou noir supermassif ultérieur. »

Vue d’artiste d’un trou noir supermassif actif. Crédit : ESO / L. calcade

Pour l’avenir, l’équipe espère s’appuyer sur Télescope spatial James Webb (JWST) pour rechercher systématiquement des objets similaires. Entre ses optiques haute résolution et sa suite sophistiquée de caméras infrarouges et de spectromètres, le James Webb pourra regarder toujours plus loin dans le temps et voir les premières galaxies alors qu’elles étaient encore en formation. Cela donnera aux astronomes la possibilité de voir exactement comment les galaxies et la structure à grande échelle de l’Univers ont évolué depuis. Comme le résume Fujimoto :

“Caractériser pleinement ces objets et sonder leur évolution et leur physique sous-jacente de manière beaucoup plus détaillée deviendra possible avec le télescope James Webb. Une fois en fonctionnement régulier, Webb aura le pouvoir de déterminer de manière décisive la fréquence réelle de ces trous noirs à croissance rapide. »

Le James Webb seront rejoints par d’autres instruments de nouvelle génération dans les années à venir, notamment des télescopes spatiaux comme celui de la NASA Nancy Grace Roman (RST) et Spectro-Photomètre pour l’Histoire de l’Univers, Epoque de Réionisation et Ices Explorer (SPHEREx) et les télescopes spatiaux de l’ESA Euclide, Athénaet Atmosphérique Télédétection Infrarouge Exoplanète Grande enquête (ARIEL). Parallèlement, des instruments au sol tels que le télescope extrêmement grand de l’ESO, le télescope géant de Magellan et le télescope de trente mètres (TMT) deviendront également opérationnels.

S’appuyant sur une combinaison d’optiques avancées, d’optiques adaptatives, de coronographes et de spectromètres, ces observatoires se pencheront sur le début de l’Univers, révélant de nouvelles informations sur la matière noire, l’énergie noire et l’évolution cosmique. Enfin, les “âges sombres” cosmiques qui ont empêché les astronomes d’étudier les premières périodes de l’univers seront enfin dissipés.

L’article qui décrit leurs recherches et leurs découvertes est récemment paru dans la revue scientifique Nature. Assurez-vous de regarder cette animation de ce que ce serait de zoomer sur GNz7q, avec l’aimable autorisation de Hubble ESA :

Lectures complémentaires : UCPH, Nature

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