Les astronomes utilisant le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA ont découvert un énorme trou noir dans l’Univers primitif qui semble être antérieur à sa propre galaxie hôte, soulevant de nouvelles questions sur la naissance des premiers monstres supermassifs du cosmos.
Abell 2744-QSO1 (QSO1 en abrégé) est un prototype de « petit point rouge » qui existait seulement 700 millions d’années après le Big Bang.
Bien que QSO1 ne mesure que 1 300 années-lumière et que sa lumière voyage depuis plus de 13 milliards d’années, il est plus facile à étudier que la plupart des autres petits points rouges car il est attiré par la gravitation de l’amas de galaxies Abell 2744.
QSO1 est à la fois agrandi et triplement imagé, apparaissant à trois endroits différents dans le ciel.
« C’est une découverte remarquable », a déclaré le Dr Roberto Maiolino, astronome à l’Université de Cambridge.
« C’est un changement de paradigme, une revisite totale des scénarios classiques sur la formation et la croissance des trous noirs. »
Les premières études de QSO1 ont révélé des preuves irréfutables qu’il pourrait s’agir d’un nuage d’hydrogène et d’hélium gazeux incandescents entourant un trou noir supermassif estimé à 40 millions de fois la masse du Soleil.
Mais comme pour les autres premiers trous noirs découverts par Webb, il y avait une incertitude quant à savoir s’ils étaient réellement aussi massifs.
« Jusqu’à présent, toutes les mesures de masse des trous noirs dans l’Univers primitif étaient indirectes, basées sur des hypothèses tirées de ce que nous savons d’eux dans l’Univers local », a déclaré le Dr Francesco D’Eugenio, également de l’Université de Cambridge.
« Nous ne savions pas si ces hypothèses s’appliquaient réellement à l’Univers lointain. »
Les astronomes ont utilisé l’unité de champ intégrale (IFU) de l’instrument NIRSpec de Webb pour cartographier les mouvements de l’hydrogène gazeux entourant le trou noir.
Lorsqu’ils ont tracé la vitesse de rotation en fonction de la distance par rapport au centre, ils ont découvert que le gaz avait un mouvement képlérien : il tourne autour d’un point central de la même manière que les planètes de notre système solaire tournent autour du Soleil.
« C’est important car cela nous indique que la majeure partie de la masse de QSO1 est concentrée dans le trou noir au centre », a déclaré Ignas Juodžbalis, étudiant diplômé de l’Université de Cambridge.
« Si la masse était plus répartie, comme ce serait le cas s’il y avait beaucoup d’étoiles, le gaz n’aurait pas cette rotation képlérienne parfaite. »
Le mouvement képlérien étant régi par de simples lois de la gravité, les chercheurs ont pu utiliser les mesures de vitesse du gaz pour calculer directement la masse du trou noir, un exploit qui n’était pas possible auparavant.
Ils ont découvert que non seulement le trou noir est immense (environ 50 millions de masses solaires), mais qu’il représente au minimum les deux tiers de la masse totale de QSO1.
Cette proportion est des milliers de fois supérieure à celle des galaxies proches, où les trous noirs supermassifs ne représentent qu’une infime fraction de la masse totale de la galaxie hôte.
Les cartes de composition de l’IFU confirment ces résultats, montrant que le gaz présent dans QSO1 est presque entièrement constitué d’hydrogène et d’hélium, avec très peu d’éléments plus lourds comme l’oxygène que l’on pourrait attendre dans une galaxie riche en étoiles et en débris stellaires.
Avec une métallicité inférieure à 0,5 % de celle du Soleil, QSO1 est l’un des environnements galactiques les plus vierges jamais mesurés.
« C’est un résultat phénoménal », a déclaré le Dr Cosimo Marconcini, astronome à l’Université de Florence.
« Il s’agit de la première mesure directe de la masse d’un trou noir au cours du premier milliard d’années après le Big Bang, et elle est cohérente avec les mesures précédentes. »
La masse démesurée de QSO1 par rapport à sa galaxie hôte suggère qu’il ne peut pas s’être formé progressivement à partir de trous noirs de masse stellaire beaucoup plus petits fusionnant et se nourrissant.
« Il semble que nous ayons trouvé un trou noir qui n’a pas de galaxie hôte importante et qui est antérieur aux processus stellaires », a déclaré Juodžbalis.
« C’est très excitant car c’est la preuve de trous noirs primordiaux ou de trous noirs à effondrement direct, qui ont été théorisés mais non confirmés. »
« Que le trou noir de QSO1 ait évolué à partir d’une graine lourde formée dans la première seconde du Big Bang ou un peu plus tard à la suite de l’effondrement d’un nuage géant de gaz, il est presque certainement né grand et pourrait en être aux premiers stades de la construction d’une galaxie autour de lui. »
Les résultats apparaissent dans deux articles de la revue Nature et le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
