Comment le tout premier quasar scintillant réécrit l'histoire des trous noirs supermassifs

Lorsque nous levons les yeux vers le ciel nocturne, nous ne regardons pas seulement l'espace, nous remontons le temps. La lumière mettant du temps à traverser l'immensité de l'univers, plus un objet est éloigné, plus la lumière qu'il émet est ancienne lorsqu'elle atteint nos télescopes. Récemment, une équipe internationale d'astronomes, dirigée par des chercheurs du MIT, est parvenue à observer l'histoire de l'univers à une époque incroyablement reculée, capturant un phénomène inédit : le plus ancien quasar connu à scintiller .

Repéré brillant à travers l' aube cosmique — seulement 850 millions d'années après le Big Bang — cet ancien phare cosmique éclaire d'un jour nouveau l'un des mystères les plus déconcertants de l'astrophysique : comment les trous noirs supermassifs sont-ils devenus si gros, si vite ?

Ce que l'équipe a découvert n'était pas simplement un point lumineux lointain. En observant le léger « scintillement » du quasar, ils ont pu cartographier sa structure, révélant un disque d'accrétion étonnamment mature et plat. Cette découverte remet en question notre compréhension actuelle de la formation et de l'évolution des premières galaxies de l'Univers. Explorons la signification de cette découverte, comprenons pourquoi le suivi d'un scintillement cosmique représente un exploit technique monumental et comment ce trou noir ancien oblige les scientifiques à réécrire la chronologie de l'Univers primordial.

Les moteurs du cosmos

Pour comprendre l'ampleur de cette découverte, il nous faut d'abord comprendre l'anatomie d'un quasar .

Au centre de presque toutes les galaxies, y compris la nôtre, la Voie lactée, se trouve un trou noir supermassif. Ces titans gravitationnels peuvent peser des milliards de fois plus que notre Soleil. Lorsqu'ils se nourrissent activement, leur immense gravité attire les gaz, les poussières et les débris stellaires environnants. À mesure que cette matière s'enroule en spirale vers l'intérieur, elle forme un immense tourbillon appelé disque d'accrétion. La friction et les forces gravitationnelles colossales chauffent cette matière tourbillonnante à des températures ahurissantes, la poussant à rayonner des quantités d'énergie colossales sur tout le spectre électromagnétique. Lorsqu'un trou noir supermassif se trouve dans cette phase d'alimentation hyperactive et hyperlumineuse, on l'appelle un quasar. Les quasars sont les objets les plus brillants de l'univers. Le quasar spécifique analysé par l'équipe du MIT est estimé à une luminosité équivalente à 12 billions de soleils. Ils sont si lumineux qu'ils surpassent complètement en éclat toutes les milliards d'étoiles de leurs galaxies hôtes réunies. Grâce à leur luminosité exceptionnelle, ils agissent comme des phares cosmiques, permettant aux astronomes de les repérer à des milliards d'années-lumière de distance.

Détecter le scintillement cosmique

Les astronomes ont repéré plus de 200 trous noirs supermassifs datant du premier milliard d'années de l'Univers. Cependant, jusqu'à présent, ces quasars anciens apparaissaient simplement comme de minuscules points lumineux statiques. Pour comprendre véritablement l'environnement et la structure de ces trous noirs primitifs, les astronomes devaient observer un quasar « scintiller ».

Ce scintillement est dû au fait que l'alimentation d'un trou noir n'est pas parfaitement régulière. Lorsque des amas de gaz et de poussière tombent dans le trou noir, la quantité d'énergie libérée fluctue. La façon dont un quasar scintille — ses variations de rythme, d'intensité et de couleur — sert d'outil de diagnostic, informant les astronomes sur la structure physique du disque d'accrétion et la taille des « morsures » que le trou noir prélève. Gene Leung, chercheur postdoctoral à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT, et Anna-Christina Eilers, professeure adjointe de physique au MIT, se sont mis en quête d'un quasar scintillant de l'univers primordial. Mais ils se sont heurtés à un obstacle majeur : la dilatation du temps. Du fait de l'expansion de l'univers, la lumière qui voyage depuis l'aube cosmique est étirée. Cet étirement décale la lumière vers l'extrémité rouge du spectre, un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge. Mais l'expansion de l'espace n'étire pas seulement la lumière ; elle étire aussi le temps. Si un quasar lointain présente un scintillement naturel sur une période de quelques semaines, l'expansion de l'univers étire tellement ce signal que, depuis la Terre, le scintillement semble durer plusieurs mois. Pour capter cette fluctuation au ralenti, l'équipe du MIT a eu besoin de plusieurs années de données continues.

Le trésor de NEOWISE

Pour résoudre ce problème, l'équipe s'est tournée vers les données recueillies par la mission NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA. Lancé initialement pour cartographier le ciel dans le spectre infrarouge , le télescope spatial a passé environ 14 ans à scruter le cosmos.

En raison d'un décalage vers le rouge extrême , la lumière d'un quasar situé à 13,8 milliards d'années-lumière a été étirée hors du spectre visible et dans l'infrarouge. En utilisant un projet lancé par l'ancien postdoctorant du MIT, Kishalay De, pour retraiter les données d'archives de NEOWISE, l'équipe a fait une découverte majeure. Ils ont trouvé un quasar datant de 850 millions d'années après le Big Bang, dont la luminosité a fluctué aléatoirement d'environ 20 % au cours des 14 années d'observation.

Pour mettre cela en perspective : une fluctuation de 20 % pour ce quasar signifie que sa luminosité a varié de manière équivalente à celle de 2 000 milliards de soleils .

Le paradoxe de la « crêpe » : pourquoi cette découverte est si surprenante

En observant comment cette lumière fluctuait à différentes longueurs d'onde (qui correspondent à différentes températures dans le disque d'accrétion ), les chercheurs ont cartographié la forme du gaz tourbillonnant. Leurs résultats étaient totalement inattendus.

Les astrophysiciens ont longtemps supposé que les trous noirs supermassifs de l'univers primordial devaient être des systèmes chaotiques et instables. Étant donné qu'ils sont encore en pleine formation, on s'attendait à ce que leurs disques d'accrétion soient gonflés, désordonnés et chaotiques.

Au lieu de cela, Leung et Eilers ont découvert que le disque d'accrétion de ce quasar ancien est remarquablement fin et plat, ressemblant à une crêpe.

Cette structure plate n'est généralement observée que chez les trous noirs beaucoup plus anciens et matures de notre univers local, qui ont eu des milliards d'années pour se stabiliser dans leur rythme d'alimentation. Découvrir un disque d'accrétion parfaitement plat et mature seulement 850 millions d'années après le Big Bang revient à découvrir un gratte-ciel entièrement construit dans une zone où l'on ne s'attendait qu'à voir des fondations fraîchement coulées.

« Ceci apporte la preuve directe que les mêmes processus d'alimentation et les mêmes structures observés dans l'univers proche étaient déjà en place à des époques très reculées, malgré des environnements cosmiques très différents », a noté Eilers dans la publication de l'équipe dans Nature Astronomy .

Le mystère de la graine supermassive

Cette découverte ajoute une nouvelle dimension fascinante à l'un des sujets les plus débattus de la cosmologie moderne : le paradoxe « Trop gros, trop vite ».

Il faut du temps pour qu'un trou noir se développe. Un trou noir se forme généralement lorsqu'une étoile massive s'effondre, créant un « germe » dont la masse est peut-être plusieurs dizaines de fois supérieure à celle de notre Soleil. Pour devenir un géant supermassif des milliards de fois plus massif que le Soleil, il doit se nourrir continuellement pendant des milliards d'années. Alors, comment ces monstres existent-ils moins d'un milliard d'années après la naissance de l'univers ?

Les astronomes ont actuellement plusieurs théories principales pour expliquer cette croissance rapide :

• Restes d'étoiles de Population III : Les toutes premières étoiles de l'univers étaient incroyablement massives et se sont éteintes rapidement. En mourant, elles ont peut-être laissé derrière elles des germes de trous noirs plus grands que la moyenne, ce qui leur a permis de démarrer leur croissance rapidement.
• Trous noirs à effondrement direct : Au lieu de se former à partir d'une étoile, d'immenses nuages ​​de gaz primordial dans l'univers primitif se seraient effondrés directement sous leur propre gravité, créant ainsi des germes de trous noirs massifs dès le départ.
• Accrétion super-Eddington : Les trous noirs ont généralement une « limite de vitesse » pour leur capacité d'absorption, appelée limite d'Eddington. S'ils absorbent la matière trop rapidement, le rayonnement émis repousse la matière. Certains scientifiques pensent que les premiers trous noirs ont, d'une manière ou d'une autre, franchi cette limite, s'alimentant à des vitesses chaotiques et extrêmement accélérées.

La découverte par l'équipe du MIT d'un disque d'accrétion plat et stable suggère que, quelle que soit la phase chaotique et de croissance rapide qu'ont traversée ces trous noirs, elle s'est produite encore plus tôt qu'on ne le pensait. Lorsque l'univers a atteint 850 millions d'années, ce trou noir avait déjà achevé sa phase de croissance tumultueuse et atteint un stade adulte stable et mature.

Et après ?

« Cela signifie que quelque chose s'est produit encore plus tôt et a permis à ces systèmes d'atteindre une telle maturité », explique Leung. Les phases chaotiques et de croissance rapide qui ont forgé ces géants gravitationnels ont dû se produire aux tout premiers instants de l'univers, bien avant qu'ils ne s'illuminent pour devenir les brillants quasars que nous pouvons détecter aujourd'hui.

Pour résoudre l'énigme de la formation de ces trous noirs supermassifs, les astronomes devront remonter encore plus loin dans le temps, jusqu'aux âges sombres de l'univers. Grâce à des instruments de nouvelle génération comme le télescope spatial James Webb (JWST) et à l'analyse continue des données temporelles issues de missions telles que NEOWISE , les chercheurs lèvent peu à peu le voile sur les premiers jours de l'univers.

Chaque nouvelle observation, chaque nouvelle donnée, nous rapproche de la compréhension des processus chaotiques et fascinants qui ont façonné les écosystèmes galactiques que nous observons aujourd'hui.