Le quasar 3C 273 vue par Chandra en rayons X. © Nasa

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Un quasar de 12 milliards de masses solaires trop massif pour son âge

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Le quasar SDSS J0100+2802 rend encore plus perplexe les astrophysiciens cherchant à comprendre l'origine et l'évolution des trous noirs supermassifs. Il est difficile de comprendre comment un tel objet a pu absorber l'équivalent de 12 milliards de masses solaires alors que l'univers observable n'était âgé que de 900 millions d'années.

Interview : un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

Il y a environ cinquante ans, la technique des occultations a permis de déterminer la contrepartie optique d'une source radio puissante, 3C 273. Lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a ensuite fait l'analyse spectrale de l'astre, il découvrit avec stupéfaction des lignes d'émissions de l'hydrogène fortement décalées vers le rouge. Or 3C 273 apparaissait dans le visible comme une étoile alors que ce résultat impliquait qu'il se situait en dehors de la Voie lactée à une distance cosmologique. Pour être visible d'aussi loin, l'objet devait donc être d'une luminosité prodigieuse. D'autres quasi-stellar radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu, n'allaient pas tarder à être découverts. On en connaît aujourd'hui plus de 200.000.

Les astrophysiciens ont très tôt cherché à comprendre la nature de ces astres qui, bien que libérant d'énormes quantités d'énergie, semblaient être de petite taille. On a d'abord pensé qu'il pouvait s'agir d'énormes étoiles dominées par les effets de la relativité générale avant d'envisager assez rapidement qu'il pouvait s'agir de trous noirs supermassifs accrétant d'importantes quantités de gaz. Dans le bestiaire des astres relativistes que l'on commençait à explorer sérieusement pendant les années 1960, certains, comme Igor Novikov et Yuval Ne'eman, ont même proposé que les quasars étaient en fait des trous blancs. C'est-à-dire soit des régions de l'univers dont l'expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core) soit l'autre extrémité de trous de vers éjectant la matière qu'ils avaient absorbé sous forme de trous noirs dans une autre partie du cosmos voire dans un autre univers.

Le quasar SDSS J0100+2802 est l’un des trous noirs les plus massifs connus, avec une masse de 12 milliards (billions) de fois celle du Soleil, et le plus lumineux des quasars lointains. La photo de fond, fournie par l’Observatoire du Yunnan, montre la coupole de son télescope de 2,4 mètres et le ciel au-dessus. © Zhaoyu Li, Shanghai Observatory

Des trous noirs géants qui évoluent plus vite que les galaxies

De nos jours, la majorité des chercheurs est convaincue que les quasars sont bel et bien des trous noirs supermassifs en rotation que l'on surprend en train d'accréter de grandes quantités de matière il y a plusieurs milliards d'années. Mais cette théorie n'est pas sans poser quelques problèmes. En effet, ces astres compacts contiennent de quelques millions à quelques milliards de masses solaires. Ils ne peuvent donc pas provenir directement de l'effondrement gravitationnel d'une étoile. Il existe toutefois différents modèles montrant plus ou moins comment ces trous noirs peuvent croître au cours du temps à partir d'objets plus petits.

Il n'en reste pas moins que cosmologistes et astrophysiciens sont mal à l'aise lorsqu'ils sont confrontés à l'existence de quasars contenant déjà des milliards de masses solaires alors que l'univers observable était âgé de moins d'un milliard d'années. La découverte de SDSS J0100+2802 est particulièrement dérangeante à cet égard comme on peut s'en convaincre en lisant un article à ce sujet, déposé sur arxiv.

En effet, l'équipe internationale d'astronomes des Universités de Pékin et de l'Arizona qui a découvert et étudié ce quasar avec de nombreux télescopes a déterminé qu'il contenait déjà 12 milliards de masses solaires alors que l'univers n'était âgé que de 900 millions d'années. Comment un astre 3.000 fois plus massif que le trou noir central de la Voie lactée et aussi brillant que 420.000 milliards de Soleil a-t-il pu se former aussi vite ? Il est difficile de répondre à cette question, mais il semble que cela implique que les trous noirs supermassifs aient évolué beaucoup plus vite que les jeunes galaxies qui les abritent pendant la réionisation du cosmos observable.

Si la découverte de SDSS J0100+2802 représente un défi pour les modèles de formation de ces trous noirs géants et de leur coévolution avec les galaxies, elle constitue aussi une opportunité. La lumière émise par ce quasar va en effet nous aider à sonder l'univers à grande distance et donc dans son lointain passé.

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