Les astronomes ont découvert des trous noirs supermassifs extrêmement anciens, ceux qui se sont formés lorsque l'Univers était assez jeune. Mais ils étaient perplexes de voir comment un trou noir pouvait atteindre une taille si énorme alors que l'Univers lui-même n'était qu'un tout-petit.
Les astronomes ont maintenant découvert qu'un ensemble unique de conditions étaient présentes un demi-milliard d'années après le Big Bang qui a permis à ces trous noirs de monstre de se former. Une source inhabituelle de rayonnement intense a créé ce qu'on appelle des «trous noirs à effondrement direct».
"C'est un miracle cosmique", a déclaré Volker Bromm de l'Université du Texas à Austin, qui a travaillé avec plusieurs astronomes sur la découverte. "C’est la seule fois dans l’histoire de l’univers où les conditions sont propices à leur formation."
La compréhension conventionnelle de la formation des trous noirs s'appelle la théorie de l'accrétion, où une étoile extrêmement massive s'effondre et des «graines» de trous noirs sont construites à partir de l'effondrement en aspirant du gaz de leur environnement et en fusionnant des trous noirs plus petits. Mais ce processus prend beaucoup de temps, beaucoup plus longtemps que le temps où ces trous noirs se formant rapidement se trouvaient. De plus, le premier univers n'avait pas les quantités de gaz et de poussière nécessaires pour que les trous noirs supermassifs atteignent leur taille gigantesque.
Les nouvelles découvertes suggèrent plutôt que certains des premiers trous noirs se sont formés directement lors de l'effondrement d'un nuage de gaz, contournant toute autre phase intermédiaire, comme la formation et la destruction ultérieure d'une étoile massive.
Bien sûr, comme tout trou noir, ces trous noirs à «effondrement direct» ne sont pas visibles. Mais il y avait des preuves solides de leur existence, car ils sont nécessaires pour alimenter les quasars très lumineux détectés dans le jeune univers. La grande luminosité d'un quasar provient de la matière qui se transforme en un trou noir supermassif, chauffant à des millions de degrés, créant des jets qui brillent comme des balises à travers l'Univers. Mais comme la théorie de l'accrétion n'explique pas les trous noirs supermassifs dans un univers extrêmement éloigné - et donc jeune -, les astronomes ne pouvaient pas non plus expliquer les quasars. Cela a été appelé «le problème des semences de quasar».
"Les quasars observés dans le premier univers ressemblent à des bébés géants dans une salle d'accouchement remplie de nourrissons normaux", a déclaré Avi Loeb du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, qui a travaillé avec Bromm. «On se demande: quelle est la particularité de l'environnement qui a nourri ces bébés géants? Généralement, le réservoir de gaz froid dans les galaxies voisines comme la Voie lactée est principalement consommé par la formation d'étoiles. »
Mais en 2003, Bromm et Loeb ont eu une idée théorique pour obtenir une première galaxie pour former un trou noir de semence supermassif, en supprimant l'apport d'énergie autrement prohibitif de la formation des étoiles. Ils ont appelé le processus «effondrement direct».
"Commencez avec un" nuage primordial d'hydrogène et d'hélium, imprégné d'une mer de rayonnement ultraviolet ", a déclaré Bromm. «Vous craquez ce nuage dans le champ gravitationnel d'un halo de matière noire. Normalement, le nuage pourrait se refroidir et se fragmenter pour former des étoiles. Cependant, les photons ultraviolets gardent le gaz chaud, supprimant ainsi toute formation d'étoiles. Ce sont les conditions souhaitées, quasi miraculeuses: un effondrement sans fragmentation! Alors que le gaz devient de plus en plus compact, vous finirez par avoir les conditions d'un trou noir massif. »
Cet ensemble de conditions cosmiques semble n'exister que dans le tout premier univers, et ce processus ne se produit pas dans les galaxies aujourd'hui.
Pour tester leur théorie, Bromm, Loeb et leur collègue Aaron Smith ont commencé à étudier une galaxie appelée CR7, identifiée par un levé du télescope spatial Hubble appelé COSMOS comme étant autour de moins d'un milliard d'années après le Big Bang.
David Sobral de l'Université de Lisbonne a fait des observations de suivi du CR7 avec certains des plus grands télescopes au sol au monde, dont Keck et le VLT. Ceux-ci ont découvert des caractéristiques extrêmement inhabituelles dans la signature lumineuse provenant du CR7. Plus précisément, la ligne d'hydrogène Lyman-alpha était plusieurs fois plus lumineuse que prévu. Remarquablement, le spectre a également montré une raie d'hélium inhabituellement brillante.
"Tout ce qui motive cette source est très chaud - assez chaud pour ioniser l'hélium", a déclaré Smith, à environ 100 000 degrés Celsius.
Ces caractéristiques inhabituelles et d'autres du spectre signifiaient qu'il pouvait s'agir soit d'un amas d'étoiles primordiales, soit d'un trou noir supermassif probablement formé par effondrement direct.
Smith a effectué des simulations pour les deux scénarios et bien que le scénario de l'amas d'étoiles "ait échoué de manière spectaculaire", a déclaré Smith, le modèle de l'effondrement direct du trou noir s'est bien comporté.
En outre, plus tôt cette année, des chercheurs ont utilisé des données combinées de l'observatoire de rayons X Chandra, du télescope spatial Hubble et du télescope spatial Spitzer pour identifier ces graines de trou noir possibles. Ils ont trouvé deux objets qui correspondaient tous les deux au profil théorique des données infrarouges. (lire leur article ici.)
Il semble que les astronomes «convergent vers ce modèle», a déclaré Smith, pour résoudre le problème des semences de quasar et l'énigme du début du trou noir.
Restez à l'écoute.
Les travaux de Bromm, Loeb et Smith sont publiés dans la revue Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.
Sources:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, communiqué de presse pour la détection par la NASA de trous noirs d'effondrement direct plus tôt cette année.
