Les trous noirs et les quasars se sont formés moins d’un milliard d’années après le Big Bang

Des trous noirs supermassifs semblent exister au centre de chaque galaxie, remontant à certaines des premières galaxies de l’univers. Nous n’avons aucune idée de comment ils sont arrivés là. Il ne devrait pas être possible pour eux de passer de restes de supernova à des tailles énormes aussi rapidement qu’ils le font. Nous ne connaissons aucun autre mécanisme qui pourrait former quelque chose de suffisamment important pour qu’une croissance exponentielle ne soit pas nécessaire.

L’apparente impossibilité de trous noirs supermassifs dans l’univers primitif était en effet un problème mineur ; Le télescope spatial James Webb a aggravé la situation en trouvant des exemples antérieurs de galaxies dotées de trous noirs supermassifs. Dans le dernier exemple, les chercheurs ont utilisé Webb pour caractériser un quasar alimenté par un trou noir supermassif, tel qu’il existait environ 750 millions d’années après le Big Bang. Et cela semble incroyablement normal.

Revenir dans le temps

Les quasars sont les objets les plus brillants de l’univers, activement alimentés par des trous noirs supermassifs. La galaxie qui les entoure leur fournit suffisamment de matière pour former des disques d’accrétion brillants et de puissants jets, qui émettent tous deux de grandes quantités de rayonnement. Ils sont souvent partiellement recouverts de poussière, qui brille en absorbant une partie de l’énergie émise par le trou noir. Ces quasars émettent tellement de rayonnements qu’ils finissent par expulser complètement certains matériaux proches de la galaxie.

Ainsi, la présence de ces caractéristiques dans l’univers primitif nous indiquerait que les trous noirs supermassifs existaient non seulement dans l’univers primitif, mais qu’ils ont également été incorporés dans les galaxies comme elles le sont plus récemment. Mais leurs études étaient très difficiles. Pour commencer, nous n’en avons pas identifié beaucoup ; Il n’existe que neuf quasars remontant à l’époque où l’univers avait 800 millions d’années. En raison de cette distance, il est difficile d’identifier les caractéristiques, et le redshift provoqué par l’expansion de l’univers capte le rayonnement ultraviolet intense de nombreux éléments et l’étend dans l’infrarouge profond.

Cependant, le télescope Webb a été spécialement conçu pour détecter des objets dans l’univers primitif grâce à sa sensibilité aux longueurs d’onde infrarouges où apparaît ce rayonnement. La nouvelle recherche repose donc sur l’orientation de Webb vers le premier des neuf quasars découverts, J1120+0641.

Et ça a l’air… remarquablement normal. Ou du moins, ils sont très similaires aux quasars des périodes plus récentes de l’histoire de l’univers.

Généralement normal

Les chercheurs ont analysé la continuité du rayonnement du quasar et ont trouvé des indications claires selon lesquelles il était noyé dans une masse de matière chaude et poussiéreuse, comme on l’a vu dans les quasars ultérieurs. Cette poussière est un peu plus chaude que certains quasars modernes, mais cela semble être une caractéristique commune à ces objets aux premiers stades de l’histoire de l’univers. Le rayonnement du disque d’accrétion apparaît également dans le spectre d’émission.

Différentes méthodes pour estimer les valeurs produites en masse pour un trou noir de l’ordre de 10⁹ Plusieurs fois la masse du Soleil, ce qui le place clairement dans la région du trou noir supermassif. Il existe également des preuves, à partir d’un léger décalage vers le bleu d’une partie du rayonnement, que le quasar souffle de la matière à une vitesse d’environ 350 kilomètres par seconde.

Il y a quelques bizarreries. La première est que le matériau semble également tomber vers l’intérieur à une vitesse d’environ 300 kilomètres par seconde. Cela pourrait être dû à la rotation de la matière dans le disque d’accrétion. Mais si c’est le cas, il faut que la matière tourne vers nous de l’autre côté du disque. Cela a été observé à plusieurs reprises dans les tout premiers quasars, mais les chercheurs reconnaissent que « l’origine physique de cet effet est inconnue ».

Une option qu’ils suggèrent comme explication est que le quasar tout entier est en mouvement, ébranlé de sa position au centre galactique par une précédente fusion avec un autre trou noir supermassif.

Une autre chose étrange est qu’il existe également un flux très rapide de carbone hautement ionisé, se déplaçant deux fois plus vite que dans les quasars ultérieurs. Nous avons déjà vu cela auparavant, mais il n’y a aucune explication à cela non plus.

Comment est-ce arrivé?

Malgré ses bizarreries, cet objet ressemble beaucoup aux quasars récents : « Nos observations montrent que les structures complexes du tore poussiéreux et de l’étoile [accretion disk] Peut faire ses preuves autour d’un [supermassive black hole] « Moins de 760 millions après le Big Bang. »

Encore une fois, cela pose un peu problème car cela suggère la présence d’un trou noir supermassif intégré dans sa galaxie hôte très tôt dans l’histoire de l’univers. Pour atteindre les tailles indiquées ici, les trous noirs se heurtent à ce qu’on appelle la limite d’Eddington, qui est la quantité de matière qu’ils peuvent aspirer avant que le rayonnement résultant n’expulse la matière à proximité, étouffant ainsi l’approvisionnement alimentaire du trou noir.

Cela suggère deux options. La première est que ces objets ont absorbé de la matière bien au-delà de la limite d’Eddington pendant la majeure partie de leur histoire, ce que nous n’avons pas observé et certainement pas vrai pour ce quasar. L’autre option est qu’ils ont commencé en grand (vers 10⁴ fois la masse du Soleil) et ont continué à se nourrir à un rythme plus raisonnable. Mais nous ne savons pas vraiment comment quelque chose d’aussi gros pourrait se former.

Par conséquent, l’univers primitif reste un endroit quelque peu déroutant.

Astronomie naturelle, 2024. DOI : 10.1038/s41550-024-02273-0 (À propos des identifiants numériques).