On sait que le télescope spatial James-Webb, le JWST, a débusqué des galaxies que l’on peut considérer, à première vue, comme anormalement massives, tôt dans l’histoire de l’Univers observable. On sait également qu’il existe une relation entre la masse des galaxies et celle des trous noirs géants qu’elles hébergent, en tout cas pour des galaxies pas trop lointaines. Si l’on pense que cette loi est vérifiée au début de l’histoire de la croissance des galaxies, celles observées par le JWST devraient, elles aussi, contenir des trous noirs très massifs, très tôt.
La question se posait depuis un moment, qui des trous noirs géants et des galaxies a commencé à se former en premier pendant les quelques centaines de millions d’années juste après la fin du Big Bang ? Les observations de petites galaxies nombreuses mais anormalement lumineuses selon le scénario standard de la formation des galaxies faites avec le James-Webb semblent obliger à reviser ce que l’on pensait généralement de cette question…. Lire la suite
On ne sait pas très bien comment ces trous noirs se sont formés ni si leur existence est compatible avec le modèle cosmologique standard avec matière et énergie noire. Toutefois, on a des raisons de penser que la croissance des trous noirs géants et de leurs galaxies se fait en partie au moins à l’occasion de collisions suivies de fusion des galaxies et des trous noirs.
Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche au CNRS, et Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parlent des trous noirs, notamment des grands trous noirs supermassifs des galaxies qui sont derrière les quasars et qui impactent l’évolution des galaxies. © Fondation Hugot du Collège de France
Or, justement, des observations du JWST – réalisées par une équipe internationale d’astronomes dirigée par l’Institut Max-Planck de physique extraterrestre (MPE) – ont identifié trois trous noirs supermassifs en phase d’accrétion active dans la galaxie J0148-4214.
Découverts au début des années 1960, les quasars sont les objets les plus lumineux de l’Univers et nous savons aujourd’hui – ce dont les astrophysiciens de l’époque se doutaient – qu’il s’agit de trous noirs supermassifs au cœur de noyaux actifs de galaxies accrétant de la matière. Toutefois, une explication convaincante de l’origine de ces trous noirs manque toujours. Le télescope spatial James-Webb vient-il enfin de donner une réponse à cette énigme ?… Lire la suite
Le décalage vers le rouge des spectres de la matière dans cette galaxie, le fameux redshift, vaut z = 5,02, ce qui veut dire en gros que nous l’observons telle qu’elle était il y a environ 12,5 milliards d’années. « C’est la première preuve de l’existence de trois trous noirs actifs dans une seule galaxie de l’Univers lointain », explique dans un communiqué du MPE Hannah Übler, auteure principale de l’étude.
Des masses d’environ 80 millions, 600 000 et 2 millions de masses solaires
Ce même communiqué illustrant un article publié et en accès libre sur arXiv précise que deux des trous noirs se trouvent dans la région centrale de la galaxie et ne sont séparés que de 620 années-lumière.
Le troisième trou noir se situe, lui, à l’extérieur de la galaxie, à environ 5 500 années-lumière du centre.
Les vitesses de la matière sous forme d’hydrogène proche de ces trous noirs, causées par leurs champs de gravitation, indique que les trois trous noirs géants possèdent respectivement des masses d’environ 80 millions, 600 000 et 2 millions de masses solaires. Pour mémoire, celui de la Voie lactée dépasse légèrement les 4 millions de masses solaires.
Carte de la galaxie lointaine J0148-4214 en hydrogène ionisé (Hα). Les positions des trois trous noirs massifs sont indiquées par des cercles noirs (sans respect de l’échelle). Les trous noirs, le plus massif et le moins massif, se trouvent au centre de la galaxie, tandis qu’un troisième trou noir est situé en périphérie. © Hannah Übler
« Cela suggère que les processus à l’œuvre dans l’Univers jeune étaient efficaces pour rapprocher les trous noirs massifs, préparant ainsi les fusions de trous noirs massifs que nous espérons détecter avec les futurs observatoires d’ondes gravitationnelles », commente Hannah Übler (l’étude des ondes gravitationnelles avec la mission Lisa dans l’espace pourrait être bavarde dans un futur proche).
Une des théories pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs au cœur des grandes galaxies fait intervenir des fusions de trous noirs plus petits accompagnant des fusions de galaxies. Mais ce processus est problématique, conduisant à ce qui a été appelé le « problème du parsec final » ; mathématiquement, il faudrait un temps supérieur à l’âge de l’Univers pour que se termine le processus. Le problème est bien présent avec la découverte d’un trou noir supermassif binaire à la masse record de 28 milliards de masses solaires qui, cependant, donne des indications pour le résoudre…. Lire la suite
« Ces résultats sont extrêmement enthousiasmants. Ils suggèrent que les fusions de trous noirs pourraient constituer une voie supplémentaire et rapide permettant leur croissance spectaculaire dans l’Univers jeune », ajoute son collègue Roberto Maiolino, professeur à l’Université de Cambridge et coauteur de l’étude.