Grâce au Very Large Telescope (VLT) de l’ESO, les astronomes ont découvert six galaxies situées en périphérie d’un trou noir supermassif. C’est la toute première fois qu’un tel groupement est observé durant le premier milliard d’années de l’Univers. Sur cette vue d’artiste figurent le trou noir central ainsi que les galaxies piégées au sein de sa toile de gaz. Le trou noir et le disque qui l’entoure composent le quasar baptisé SDSS J103027.09+052455.0. Sa brillance augmente à mesure qu’il engouffre la matière qui l’entoure. © ESO/L. Calçada
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Trous noirs supermassifs : un quasar éclaire l'énigme de leur croissance rapide

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La découverte de trous noirs supermassifs, déjà de grandes tailles, dans les tous premiers milliards d'années de l'histoire de l'Univers observable était une énigme pour les cosmologistes. Mais un changement de paradigme pour la théorie de croissance des galaxies les abritant explique ce phénomène, et des observations en sa faveur se multiplient comme celles du quasar SDSS J103027.09+052455.0.

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L'année dernière, Futura avait interrogé le cosmologiste français Romain Teyssier, actuellement professeur d'astrophysique numérique à l'université de Zurich. Très impliqué dans la mission Euclid, le chercheur l'est également avec ses collègues surtout dans le développement du nouveau paradigme proposé pour expliquer la croissance des galaxies et celles des trous noirs supermassifs qu'elles abritent. Selon cette théorie, dite des Stream-Fed Galaxies (SFG), la matière noire canalise dans ses grumeaux et ses filaments des courants de gaz baryoniques froids, donc de matière normale constituée de protons, neutrons et électrons.

Un extrait de la simulation numérique 3D MareNostrum reproduisant 13 milliards d’années de l’évolution de l’Univers depuis l’état homogène de l’après Big Bang jusqu’aux galaxies spirales actuelles. Depuis le Big Bang, la matière noire se serait effondrée gravitationnellement formant des filaments entourant des sortes de bulles presque vides de matière. La gravité dans ces filaments fait naître les premières galaxies à partir de la matière normale attirée par la matière noire, puis rassemble les amas de galaxies en ces filaments observés dans la simulation. Réalisation : Romain Teyssier (CEA), Taille : 50 millions d’années-lumière. © CEA Astrophysique

C'est à l'intersection de ces filaments que naîtraient et surtout croîtraient les galaxies d'après des simulations numériques savantes comme celle utilisant l'un des plus puissants superordinateurs du monde, appelé MareNostrum, en fonction au Centre de calcul de Barcelone. Contrairement à ce que l'on avait cru avant, les collisions suivies de fusion entre galaxies jouaient alors un rôle mineur dans leur croissance et les flambées d'étoiles observées dans les jeunes galaxies pouvaient s'expliquer grâce à l'alimentation en matière baryonique des filaments.

Le paradigme de la théorie SFG prend de plus en plus de poids avec les dernières études observationnelles. Il semble que l'on peut s'en convaincre en lisant une publication dans la revue  Astronomy & Astrophysics Letters et dont on peut consulter une version en accès libre sur arXiv. Elle provient du travail d'une équipe d'astronomes ayant utilisé les instruments Muse et Fors2 installés sur le Very Large Telescope (VLT)  à l'Observatoire Paranal de l'ESO dans le désert chilien de l'Atacama.

Une vue d'artiste du quasar SDSS J1030+0524 avec six galaxies alimentées par une toile cosmique de filaments de matière. © European Southern Observatory (ESO)

Un trou noir de plus d'un milliard de masses solaires

Dans un communiqué de l'ESO, Marco Mignoli, astronome à l'Institut national d'Astrophysique (INAF) de Bologne en Italie et principal auteur de l'article aujourd'hui publié, explique que « ce travail de recherche a été principalement motivé par le désir de comprendre certains des objets astronomiques les plus complexes - les trous noirs supermassifs de l'Univers jeune, en l'occurrence. Ils composent des systèmes extrêmes dont nous ne connaissons pas à ce jour les véritables raisons de l'existence ».

C'est en observant l'environnement d'une galaxie lointaine contenant un tel astre compact, et visiblement copieusement alimenté en matière puisqu'il est observé alors qu'il est en mode quasar il y a des milliards d'années, que les astronomes ont fait sa découverte. Seulement 900 millions d'années après le Big Bang, le trou noir supermassif à l’origine du quasar SDSS J1030+0524 contenait déjà plus d'un milliard de masses solaires (celui de la Voie lactée n'en compte que 4 millions). On a déjà observé de tels objets et c'était une énigme de savoir comment ils avaient pu absorber assez de matière pour être déjà si gros au début de l'histoire du cosmos observable.

Dans le cas de quasar SDSS J1030+0524, on distingue maintenant qu'il est entouré de plusieurs galaxies prises avec lui dans une sorte de « toile d'araignée cosmique » composée de gaz et s'étendant sur une distance supérieure à 300 fois la taille de la Voie lactée pour reprendre les termes du communiqué de l'ESO.

Une conférence de Romain Teyssier sur la cosmologie numérique appliquée à la naissance et l'évolution des galaxies. Les simulations débutent avec, comme conditions initiales, les contraintes sur les fluctuations de densité de matière environ 400.000 ans après le Big Bang telles que nous l'enseigne la carte du rayonnement fossile dressée avec le satellite Planck. Le chercheur explique surtout que, selon l'acuité de la modélisation de la physique des baryons — notamment avec une résolution de plus en plus grande en ce qui concerne les échelles d'espace et de temps dans les simulations —, avec la formation des étoiles, et pas seulement en tenant compte de la physique de la matière noire, une grande diversité de phénomènes et surtout de formes de galaxies apparaît. © Collège de France

Pour Marco Mignoli, les observations actuelles montrent donc clairement que « les filaments de la toile cosmique sont semblables aux fils tissés par une araignée. Les galaxies occupent les jonctions des filaments, y croissent, tandis que les flux de gaz -- qui alimentent tant les galaxies que le trou noir central supermassif -- s'écoulent le long des filaments ». Ce qui est une manière de dire que le VLT vient d'apporter une preuve de plus en faveur de la théorie SFG.

Ce que confirme d'ailleurs, toujours dans le communiqué de l'ESO, Colin Norman de l'Université John Hopkins, à Baltimore :  « Notre découverte accrédite l'hypothèse selon laquelle les trous noirs les plus distants et les plus massifs se sont formés et développés au sein d'épais halos de matière noire, dans de vastes structures. L'absence de détection antérieure de telles structures résulte probablement de limites observationnelles. » 

Sa collègue Barbara Balmaverde, astronome à l'INAF de Turin, ajoute quant à elle : « Nous pensons n'avoir aperçu que la partie émergée de l'iceberg, en d'autres termes, les quelques galaxies détectées à proximité de ce trou noir supermassif ne seraient que les plus brillantes ». On devrait en voir plus quand l'Extremely Large Telescope de l'ESO, en cours de construction au Chili, verra sa première lumière.

  • Les tous premiers trous noirs galactiques ont grandi très rapidement pour atteindre des masses voisines du milliard de masses solaires au cours des 900 premiers millions d’années de l’Univers.
  • Astrophysiciens et cosmologistes considèrent cette croissance rapide comme énigmatique mais ils ont probablement enfin trouvé la bonne explication : des filaments de matière baryonique froide canalisés par la matière noire et alimentant copieusement leur croissance ainsi que celle des galaxies les hébergeant.
  • De nouvelles observations, faites avec le VLT de l'ESO accréditent encore plus ce paradigme qui remplace celui de la croissance de ces astres principalement par collisions et fusions de galaxies.
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