Comment les premiers trous noirs de notre Univers ont-ils pu devenir aussi massifs que des milliards de soleils ? Les astronomes tiennent peut-être enfin la réponse. Des observations réalisées à l’aide du télescope spatial James-Webb (JWST) suggèrent que ces trous noirs monstrueux sont issus de graines cosmiques massives.
Les quasars sont parmi les objets les plus brillants de notre ciel. À première vue, ils ressemblent à des étoiles. D’où leur nom, d’ailleurs, qui correspond à une contraction de « quasi-stellar radiosource ». Mais il n’en est rien. Les astronomes ont découvert que derrière les quasars se cachent en réalité des noyaux lumineux de galaxies lointaines. Des noyaux alimentés par des trous noirs supermassifs qui paraissent insatiables. De véritables monstres cosmiques. Résultat, les quasars ont tendance à littéralement éclipser le reste de la galaxie qui les abrite. Comme un projecteur éclipserait un champ de lucioles.
« Un quasar surpasse sa galaxie hôte de plusieurs ordres de grandeur. Et les images précédentes n’étaient pas assez nettes pour distinguer à quoi ressemble la galaxie hôte avec toutes ses étoiles », confirme Minghao Yue, chercheur au Massachusetts Institute of Technology (MIT, États-Unis), dans un communiqué. Mais grâce à la sensibilité et à la résolution exceptionnelles du télescope spatial James-Webb (JWST), les choses ont changé. Dans l’Astrophysical Journal, des astronomes du MIT racontent comment ils ont étudié six quasars anciens – leur âge est estimé à 13 milliards d’années – pendant plusieurs mois. Et cumuler plus de 120 heures d’observations. Pour finalement observer pour la première fois, la lumière émise par les étoiles des galaxies hôtes de trois de ces quasars.
Dessiner la galaxie hôte derrière le quasar
Pour arriver à leurs fins, les chercheurs ont collecté des images des six quasars dans différentes longueurs d’onde. Puis ils les ont intégrées dans un modèle définissant la quantité de lumière provenant probablement d’une « source ponctuelle » compacte, telle qu’un disque d’accrétion central d’un trou noir, par rapport à une source plus diffuse, telle que la lumière des étoiles dispersées environnantes de la galaxie hôte.
Cette modélisation a permis aux astronomes, grâce à la finesse des images initiales renvoyées par le télescope spatial James-Webb, de séparer la lumière de trois quasars en deux composantes : la lumière issue du disque du trou noir central et la lumière des étoiles plus diffuses de sa galaxie hôte. Comme la quantité de lumière provenant de ces deux sources reflète leur masse totale, les chercheurs ont pu estimer la masse des galaxies en question par rapport à celle de leur trou noir supermassif central. Un rapport de l’ordre de un sur dix. Alors même que le bilan de masse actuel est plutôt de l’ordre de un sur mille. Comprenez que les trous noirs formés plus récemment sont beaucoup moins massifs que leurs galaxies hôtes.
Des trous noirs très massifs par rapport à leur galaxie hôte
Comme la question se pose pour la poule et son œuf, les chercheurs se demandaient depuis longtemps si les trous noirs supermassifs se développent en premier, laissant les galaxies rattraper leur retard par la suite ou si les galaxies et leurs étoiles grandissent en premier, régulant la croissance des trous noirs.
« Les premiers trous noirs de notre Univers semblent croître plus rapidement que leur galaxie hôte », explique Anna-Christina Eilers, physicienne au MIT. Mais comment ces trous noirs qui se révèlent des milliards de fois plus massifs que notre soleil ont-ils pu devenir aussi gros aussi vite, à une époque où notre Univers en était encore à ses balbutiements ? Les astronomes interprètent aujourd’hui leurs derniers résultats comme une « preuve provisoire » que des sortes de graines initiales des trous noirs ont pu être plus massives à cette époque. De quoi permettre aux trous noirs d’acquérir leur masse plus tôt que leur galaxie hôte au cours du premier milliard d’années de notre Univers.