Les trous noirs avalent tout, y compris la lumière, ce qui explique pourquoi nous ne pouvons pas les voir. Mais nous pouvons observer leur environnement immédiat et en apprendre davantage sur eux. Et lorsqu’ils se nourrissent, leur environnement devient encore plus lumineux et observable.
Cette luminosité accrue a permis aux astronomes de trouver un trou noir qui se régalait de matière seulement 800 millions d’années après le début de l’Univers.
Même avec tout ce que les astrophysiciens ont appris, les trous noirs sont encore mystérieux. Nous savons que les plus grands, les trous noirs supermassifs (SMBH), résident au centre de galaxies comme la Voie lactée. Mais l’histoire de leur formation, de leur croissance et de leur évolution est encore entourée de mystère cosmique.
Les astrophysiciens peuvent déduire la présence de ces monstres au cœur des galaxies par l’effet de leur attraction gravitationnelle massive sur les étoiles proches. Mais une meilleure occasion de les étudier est lorsqu’ils se nourrissent activement. Un trou noir qui s’alimente activement est appelé un noyau galactique actif (AGN) et lorsqu’un AGN est extrêmement lumineux, on l’appelle un quasar. Lorsque la matière tourbillonne autour de leurs disques d’accrétion, elle se réchauffe et émet des rayons X.
Les scientifiques ont eu du mal à localiser les quasars dans l’Univers primordial, mais c’est un objectif important dans la recherche sur les trous noirs. Ils doivent les trouver afin de suivre leur évolution dans le temps. Une pierre d’achoppement dans leurs efforts est la période de temps corrélée avec des décalages vers le rouge supérieurs à z=6, il y a environ 12,716 milliards d’années, soit environ un milliard d’années après le Big Bang.
Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) a découvert un quasar extrêmement lumineux aux rayons X au redshift z=6,56, seulement environ 800 millions d’années après le Big Bang. Ils ont présenté leurs découvertes dans un article publié dans la revue Astronomy and Astrophysics. Leur article est “L’émission de rayons X d’une galaxie Seyfert 1 à raies étroites à accrétion rapide à z = 6,56. » L’auteur principal est Julien Wolf, un Ph.D. étudiant en astrophysique des hautes énergies à MPE.
Les rayons X de ce quasar, nommé J0921+0007, ont dû parcourir un long chemin à travers l’espace et le temps pour nous parvenir. L’instrument atteint était l’instrument à rayons X eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) sur l’observatoire spatial Spektr-RG. eROSITA a trouvé le quasar dans son enquête finale sur la profondeur équatoriale (FEDS). Le télescope spatial Chandra l’a également repéré.
Cette enquête est importante car, actuellement, les astrophysiciens ne connaissent que 50 quasars avec un décalage vers le rouge z>5,7, alors que l’Univers avait moins d’un milliard d’années. En en découvrant davantage, les scientifiques espèrent placer une limite inférieure à l’accrétion des trous noirs bien avant l’époque de la réionisation, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées.
Ce quasar est particulièrement intéressant car il est si brillant dans les rayons X. Mais c’est aussi un trou noir de faible masse avec seulement 250 millions de masses solaires. La plupart des galaxies à décalage vers le rouge élevé comme celle-ci hébergent des trous noirs avec entre un et dix milliard masses solaires. Pour que celui-ci soit détecté, il doit s’accréter de la matière à un taux très élevé et il doit croître rapidement. C’est la seule explication de sa luminosité aux rayons X.
“Nous ne nous attendions pas à trouver un AGN d’une masse aussi faible déjà dans notre toute première mini-enquête avec eROSITA”, a déclaré l’auteur principal Wolf, qui recherche les trous noirs supermassifs les plus éloignés dans les données eROSITA dans le cadre de son doctorat. “Il s’agit de la détection de rayons X fortuite la plus éloignée à ce jour et ses propriétés sont plutôt atypiques pour les quasars à des décalages vers le rouge aussi élevés : il est intrinsèquement faible en lumière visible mais très lumineux en rayons X.”
Ce quasar est similaire à un type de galaxie appelée galaxies Seyfert-1 à raies étroites. Ils sont un type de galaxie active dans l’univers local. Ils sont associés à des SMBH de moins de 100 millions de masses solaires qui accumulent de la matière à un rythme élevé. Ils pourraient être plus jeunes que leurs homologues SMBH de masse plus élevée.
Qu’est-ce que cela signifie de trouver ce quasar si tôt dans l’Univers ? Il met en lumière les premières étapes de la formation des trous noirs.
Il faut une concentration de masse extraordinairement élevée pour former un trou noir. Dans l’Univers moderne, ces densités ne se trouvent que dans les étoiles. Mais dans l’Univers primitif, avant tant d’expansion, il y avait d’autres densités. D’une manière ou d’une autre, ils se sont peut-être effondrés en trous noirs, et la seule raison pour laquelle l’univers entier ne s’est pas effondré en un seul est que l’expansion l’a maîtrisé.
Comprendre les fluctuations de densité dans l’Univers primordial qui ont permis la formation de trous noirs fait partie des avancées de l’astrophysique et de la cosmologie. Ainsi, bien que cette seule détection d’un trou noir se nourrissant activement et en croissance rapide à l’époque de la réionisation ne réponde pas à toutes nos questions, c’est une pièce du puzzle.
La façon dont les trous noirs se sont formés dans l’Univers primitif n’est qu’une question. Une autre question est de savoir comment ont-ils grandi? Les astrophysiciens essaient notamment de suivre la croissance des trous noirs en suivant leur accrétion dans le temps cosmique via la fonction de luminosité des rayons X (XLF). La XLF est associée à l’accrétion et il existe différents modèles expliquant cette association. La détection de ces anciens quasars dans les rayons X contribue à imposer des contraintes sur le XLF et aidera les astrophysiciens à clarifier ces modèles.
“À z = 6,56, J0921 + 0007 est l’AGN sélectionné par rayons X le plus éloigné à ce jour et peut donc être utilisé pour imposer des contraintes sur le haut-z XLF », soulignent les auteurs dans leur article.
La limite d’Eddington joue également un rôle dans ce travail. La limite d’Eddington est la luminosité maximale qu’un objet peut atteindre lorsque le rayonnement vers l’extérieur et la gravitation vers l’intérieur sont équilibrés. Les astrophysiciens pensent que les premiers trous noirs de l’Univers peuvent dépasser cette limite car les conditions sont réunies pour une accrétion rapide. Pour en savoir plus sur ces trous noirs super-Eddington et sur la densité globale d’accrétion de trous noirs dans l’Univers primordial, les chercheurs doivent en trouver davantage. «Afin de quantifier la part de la densité d’accrétion qui est en fait entraînée par de jeunes trous noirs super-Eddington, une zone d’étude plus large sera nécessaire à cette profondeur pour obtenir un échantillon plus informatif. Cela sera rendu possible dans l’enquête cumulative eROSITA All-Sky », écrivent les auteurs dans leur conclusion.
Cet ancien trou noir n’est pas la seule pièce du puzzle découverte par eROSITA et son enquête finale en profondeur équatoriale. L’enquête en a déjà trouvé cinq autres. L’équipe de recherche MPE présentera ces résultats dans un prochain article. Sur la base de toutes ces détections, les scientifiques s’attendent à en trouver des centaines d’autres avec l’enquête.
Les trous noirs supermassifs sont des objets dominants dans l’Univers. Comment elles se sont formées, comment elles sont devenues si grandes et comment elles sont devenues symbiotiques avec la croissance d’énormes galaxies sont toutes des questions sans réponse.
Mais ces travaux montrent que les chercheurs progressent.
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