Comment créer un trou noir à partir de rien

Combien y a-t-il de façons de quitter cet univers ?

Le réalisateur le plus célèbre implique peut-être la mort d'une star. En 1939, le physicien J. Robert Oppenheimer et son étudiant Harlan Snyder, de l'Université de Californie à Berkeley, ont montré que lorsqu'une étoile suffisamment massive manque de combustible thermonucléaire, elle s'effondre vers l'intérieur et continue de s'effondrer pour toujours, réduisant ainsi l'espace, le temps et la lumière. Il s’est transformé en ce qu’on appelle aujourd’hui un trou noir.

Mais il s’avère qu’une étoile morte n’est peut-être pas nécessaire pour former un trou noir. Au lieu de cela, au moins dans l’univers primitif, des nuages ​​géants de gaz primordial se sont peut-être effondrés directement en trous noirs, contournant ainsi leurs millions d’années de célébrité.

C'est la conclusion provisoire à laquelle est récemment parvenu un groupe d'astronomes étudiant UHZ-1, un point de lumière datant peu de temps après le Big Bang. En fait, UHZ-1 est (ou était) un puissant quasar qui a émis du feu et des rayons X depuis un trou noir supermassif il y a 13,2 milliards d’années, alors que l’univers n’avait même pas 500 millions d’années.

En termes cosmologiques, c’est inhabituellement proche, car un trou noir supermassif pourrait naître à la suite d’effondrements et de fusions d’étoiles. Priyamvada Natarajan, astronome à l'Université de Yale et auteur principal de Article publié dans la revue Astrophysical LettersElle et ses collègues confirment avoir découvert dans UHZ-1 un nouveau type céleste, qu’ils appellent galaxie à trous noirs supermassifs, ou OBG. À la base, l’OBG est une jeune galaxie ancrée par un trou noir devenu très grand, très rapidement. .

La découverte de ce premier quasar pourrait aider les astronomes à résoudre un mystère connexe qui les intrigue depuis des décennies. Presque toutes les galaxies visibles de l’univers moderne semblent contenir en leur centre un trou noir supermassif représentant des millions de milliards de fois la masse du Soleil. D'où venaient ces monstres ? Est-il possible que des trous noirs ordinaires se développent si rapidement ?

Le Dr Natarajan et ses collègues suggèrent que UHZ-1, et peut-être de nombreux trous noirs supermassifs, étaient à l'origine des nuages ​​primordiaux. Ces nuages ​​se sont peut-être effondrés en grains prématurément lourds, suffisamment pour initier la croissance de galaxies massives à trous noirs. C'est un autre rappel que l'univers que nous voyons est régi par une géométrie invisible d'obscurité.

« En tant que premier candidat OBG, UHZ-1 fournit des preuves irréfutables de la formation de proto-graines lourdes à partir d'un effondrement direct dans l'Univers primitif », ont écrit le Dr Natarajan et ses collègues. « Il semble que la nature crée les graines BH de plusieurs manières », a-t-elle ajouté dans un e-mail, « au-delà de la simple mort des étoiles ! »

« Bria a découvert un trou noir très intéressant, si c'est vrai », a déclaré Daniel Holz, théoricien de l'Université de Chicago qui étudie les trous noirs.

Il a ajouté : « C’est tout simplement trop gros et trop tôt. C'est comme regarder dans une salle de classe de maternelle, et parmi tous les enfants de 5 ans, il y en a un qui mesure 150 livres et/ou six pieds.

Selon l’histoire que les astronomes ne cessent de se raconter sur l’évolution de l’univers, les premières étoiles se sont condensées à partir de nuages ​​d’hydrogène et d’hélium laissés par le Big Bang. Ils brûlaient chaudement et rapidement, explosant et s’effondrant rapidement pour former des trous noirs 10 à 100 fois la masse du Soleil.

Au fil des éons, des générations successives d’étoiles se sont formées à partir des cendres des étoiles précédentes, enrichissant ainsi la chimie de l’univers. Les trous noirs laissés par leur mort ont continué à fusionner et à croître d’une manière ou d’une autre, formant des trous noirs supermassifs au centre des galaxies.

Le télescope spatial James Webb, lancé il y a deux ans à Noël, a été conçu pour tester cette idée. Il possède le plus grand miroir de l'espace, mesurant 21 pieds de diamètre. Surtout, il a été conçu pour enregistrer les longueurs d’onde infrarouges émises par la lumière des étoiles les plus lointaines et donc les plus anciennes de l’univers.

Mais une fois le nouveau télescope pointé vers le ciel, il pouvait voir de nouvelles galaxies si massives et si brillantes qu'elles défiaient les attentes des cosmologistes. Les débats ont fait rage au cours des deux dernières années pour savoir si ces observations menacent réellement un modèle de longue date de l'univers. Le modèle décrit l’univers comme étant constitué d’une trace de matière visible, de quantités étonnantes de « matière noire », qui fournit la gravité pour lier les galaxies entre elles, et d’« énergie noire », qui sépare ces galaxies.

La découverte d'UHZ-1 représente un point d'inflexion dans ces discussions. Pour préparer les futures observations avec le télescope spatial James Webb d'un amas massif de galaxies dans la constellation du Sculpteur, l'équipe du Dr Natarajan a demandé du temps à l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA. La masse de l'amas agit comme une lentille gravitationnelle, grossissant les objets situés derrière lui dans l'espace et dans le temps. Les chercheurs espéraient obtenir un aperçu aux rayons X de ce que l’objectif pourrait voir.

Ce qu’ils ont découvert était un quasar alimenté par un trou noir supermassif d’environ 40 millions de fois la masse du Soleil. D'autres observations du télescope Webb ont confirmé qu'elle se trouvait à 13,2 milliards d'années-lumière. (Le Sculptor Cluster est situé à environ 3,5 milliards d’années-lumière.) Il s’agit du quasar le plus ancien et le plus éloigné jamais découvert dans l’univers.

« Nous avions besoin de Webb pour trouver cette galaxie remarquablement lointaine et de Chandra pour trouver son trou noir supermassif », a déclaré Akos Bogdan du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dans un communiqué de presse. « Nous avons également profité d'une loupe cosmique qui a augmenté la quantité de lumière que nous avons détectée. »

Les résultats indiquent que les trous noirs supermassifs existaient 470 millions d’années après le Big Bang. Ce n’est pas assez de temps pour permettre aux trous noirs créés par la première génération d’étoiles – allant de 10 à 100 masses solaires – d’atteindre une telle taille.

Existe-t-il un autre moyen pour que des trous noirs plus gros se forment ? En 2017, le Dr Natarajan a suggéré que l’effondrement de nuages ​​de gaz primordiaux pourrait donner naissance à des trous noirs 10 000 fois plus massifs que le Soleil.

« Vous pouvez alors imaginer que l'un d'eux grandisse plus tard pour former ce petit et grand trou noir », a déclaré le Dr Holz. En conséquence, a-t-il noté, « à chaque époque ultérieure de l'histoire de l'univers, il y aura toujours des trous noirs étonnamment grands. »

« Le fait que ces objets commencent par une vie hypermassive signifie qu'ils finiront probablement par évoluer vers des trous noirs supermassifs », a déclaré le Dr Natarajan. Mais personne ne sait comment cela fonctionne. Les trous noirs représentent 10 % de la masse du premier quasar UHZ-1, alors qu'ils représentent moins d'un millième de la masse des galaxies modernes telles que la galaxie géante Messier 87, dont le trou noir a une masse de 6,5 masses. Un milliard de masses solaires lorsque son image a été prise par le télescope Event Horizon en 2019.

Cela suggère que les effets de rétroactions environnementales complexes dominent la croissance et l’évolution de ces galaxies et de leurs trous noirs, les amenant à accumuler davantage de masse en étoiles et en gaz.

« En fait, ces tout premiers OBG transmettent et éclairent davantage d'informations sur la physique de la graine plutôt que sur sa croissance et son développement ultérieurs », a déclaré le Dr Natarajan. Elle a ajouté : « Même si cela a des implications importantes. »

« Ce serait certainement formidable si c'était ce qui se passait, mais je ne sais pas vraiment », a déclaré le Dr Holz. « Ce sera une histoire fascinante, quelle que soit la manière dont le mystère des premiers grands trous noirs sera résolu », a-t-il ajouté.