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Des millions de trous noirs massifs dans l’univers jeune

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Les observations conjointes de Hubble et Chandra confirment ce dont on se doutait : des millions de trous noirs massifs existaient déjà dans l'univers observable seulement 800 millions d'années après sa naissance. Toutefois, ce ne seraient pas eux, mais uniquement les étoiles, qui auraient réionisé le cosmos.

Le Chandra Deep Field South avec des images de Hubble en optique et infrarouge. Les cercles montrent la localisation des plus vieux trous noirs massifs connus aujourd'hui. © Rayons X : Nasa/CXC/U.Hawaii/ E.Treister et al; infrarouge : Nasa/STScI/UC Santa Cruz/G.Illingworth et al; optique: Nasa/STScI/S.Beckwith et al.

On savait déjà que la masse des trous noirs massifs et supermassifs au cœur des galaxies est proportionnelle à la taille des galaxies qui les abritent. Bien que pointant du doigt une étroite connexion entre la formation et la croissance des galaxies avec celles de ces trous noirs, cette relation n'avait pas encore été observée dans les galaxies les plus lointaines. On ignorait donc si cette apparente symbiose s'était mise en place tôt dans l'Histoire du cosmos observable.

Il semble que cela soit bel et bien le cas si l'on en croit un article publié dans Nature et portant sur l'observation de 200 galaxies à l'aide des instruments Chandra et Hubble. Ces galaxies sont vues dans les domaines optique, infrarouge et des rayons X alors que l'univers observable n'était âgé que de 800 à 950 millions d'années tout au plus. Rappelons que depuis les mesures de WMap, nous pensons que notre univers ne serait âgé que de 13,7 milliards d'années.

Cela n'exclut pas que celui-ci soit en réalité beaucoup plus vieux que cela et même infiniment vieux si l'on en croit la cosmologie conforme cyclique défendue par Roger Penrose ou encore des modèles avec un avant Big Bang étudiés, par exemple, dans le cadre de la gravitation quantique à boucles.

Les trous noirs les plus anciens de l'univers ?

Au bout de six semaines de patientes collectes des photons X par Chandra, dans ce qu'on appelle le Chandra Deep Field South (CDFS), les astrophysiciens ont finalement vu apparaître les signes de la présence dans beaucoup de ces galaxies de trous noirs massifs.


Une vidéo sur les trous noirs extraite du projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube

Bien qu'ils soient environ mille fois moins massifs que les trous noirs à l'origine des quasars, les observations montrent que ces trous noirs croissaient particulièrement rapidement. Elles permettent aussi d'extrapoler le nombre de trous noirs massifs dans les galaxies moins d'un milliard d'années après le Big Bang.

Comme 30 à 100 % des galaxies observées contiennent un trou noir massif, il faut en déduire qu'il en existait au moins 30 millions à l'époque dans l'univers observable. C'est dix mille fois plus que le nombre de quasars censés exister à la même époque et cent fois plus que le nombre de trous noirs géants au cœur des galaxies existant à ce moment-là d'après une estimation récente.

Une vision d'artiste d'une toute jeune galaxie (baby galaxy) très irrégulière à cause des fusions et interactions fréquentes entre les galaxies moins de 1 milliard d'années après le Big Bang. Un zoom montre le centre occupé par un trou noir massif accrétant de la matière, plongé dans un épais nuage de gaz et poussières. © Nasa/CXC/M.Weiss

Une explication pour la réionisation du cosmos ?

Cette population de trous noirs est la plus ancienne observée à ce jour. Comme il a fallu utiliser les rayons X pour en déduire la présence, cela implique qu'ils sont entourés par d'épais nuages riches en poussières et gaz, bloquant les rayons ultraviolets. Une information importante dans la recherche d'une explication à la réionisation de l'univers observable.

Le trou noir massif rayonne dans les domaines optique et ultraviolet mais son cocon de gaz et poussières ne laisse passer que des rayons X. L'artiste a aussi représenté sur la droite le disque d'accrétion du trou noir ainsi que ses jets de matière. © Nasa/CXC/M.Weiss

En effet, environ 380.000 ans après le Big Bang, la matière baryonique de l'univers était constituée d'atomes d'hydrogène et d'hélium neutres alors qu'aujourd'hui, une partie importante de ces atomes existe sous forme ionisée. Pour qu'une telle réionisation ait eu lieu, il a fallu un rayonnement énergétique au moins dans la bande de l'ultraviolet.

De gauche à droite depuis le Big Bang jusqu'à la fin de la réionisation, on voit les premières étoiles (first stars) créant des bulles d'hydrogène ionisé dont le front grandit dans l'hydrogène intergalactique neutre de l'époque. © Nasa/CXC/M.Weiss

Les toutes premières étoiles ont été proposées comme sources principales de ce rayonnement ionisant, mais on ne pouvait écarter l'hypothèse qu'il s'agisse en fait du rayonnement émis par la matière s'accrétant sur les premiers trous noirs massifs en formation. Cette hypothèse semble bien moins probable aujourd'hui avec les observations de Chandra.

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