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On sait enfin comment se sont formés les premiers quasars de l’Univers

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Illustration d'un quasar. Crédits : DESY, Science Communication Lab

Le mystère de la formation des premiers quasars de l’Univers a déconcerté les scientifiques pendant près de vingt ans. Une équipe d’astrophysiciens vient de résoudre ce problème grâce à des simulations informatiques. Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Nature.

Un quasar est une galaxie très énergétique avec un trou noir supermassif incroyablement vorace en son centre. L’objet happe énormément de matière, ce qui libère une quantité folle d’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Les quasars se présentent ainsi comme les objets les plus brillants de l’Univers. Pour vous donner un exemple, le quasar 3C 273, l’un des tout premiers découverts, dépasse deux millions de millions de fois la luminosité du Soleil ou encore de mille fois celle de la Voie lactée.

Grâce à leur luminosité exceptionnelle, les quasars ont été suivis profondément dans l’espace-temps. Environ deux cents d’entre eux ont été identifiés au cours du premier milliard d’années de l’histoire de notre Univers. Cependant, la question de la formation de ces premières sources de lumière tourmente les chercheurs depuis plus de deux décennies. Et pour cause, les étoiles très massives, que l’on sait essentielles pour former les « graines » de quasars, étaient extrêmement rares à cette époque.

Une première véritable explication

Il y a quelques années, des travaux ont laissé entendre que les premiers quasars pouvaient se former aux jonctions de flux de gaz rares, froids et puissants. Dans le cadre d’une nouvelle étude, des chercheurs ont utilisé des simulations pour modéliser la formation d’étoiles dans l’Univers primitif, en se concentrant sur l’un des rares moments où deux flux de gaz froid et turbulent se sont rencontrés.

Si de nombreux courants de gaz sillonnent aujourd’hui l’Univers, seule une douzaine d’entre eux existaient en effet dans un volume d’espace d’un milliard d’années-lumière de diamètre à cette époque.

Dans leurs simulations, deux gros « amas » de gaz se seraient finalement accumulés au centre de ces flux. Cependant, à la surprise de l’équipe, ces amas ne se sont jamais fusionnés en étoiles de taille normale comme l’avaient prédit les modèles précédents. « Les courants froids ont entraîné des turbulences dans le nuage qui ont empêché la formation d’étoiles normales jusqu’à ce que le nuage devienne si massif qu’il s’effondre de manière catastrophique sous son propre poids, formant deux gigantesques étoiles primordiales« , détaille Daniel Whalen, de l’Université de Portsmouth.

Ces simulations ont entraîné la formation de deux énormes étoiles. L’une était 30 000 fois plus massive que le Soleil et l’autre 40 000 fois.

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Une simulation de supercalculateur montre des étoiles massives se formant (en rouge) dans un nuage de gaz ancien. Crédits : Université de Portsmouth / Nature

Un passage direct par la case trou noir ?

Des études antérieures estimaient qu’un quasar devait faire une masse comprise entre 10 000 et 100 000 masses solaires à sa naissance. Selon les auteurs de l’étude, si tel est le cas, alors ces deux étoiles primordiales gargantuesques pourraient être des « graines » viables pour les premiers quasars de l’Univers.

Il est également possible que les deux grandes étoiles de cette simulation se soient effondrées quasi instantanément en trous noirs, puis aient continué à engloutir du gaz en se transformant en quasars supermassifs comme ceux que les scientifiques ont détectés dans l’Univers primitif.

Ces travaux pourraient ainsi bouleverser des décennies de réflexion sur la formation des étoiles dans l’Univers primitif. On pensait en effet auparavant que les grandes étoiles primordiales ne pouvaient se former que dans des environnements extrêmes où des forces externes, comme un fort rayonnement ultraviolet, pouvaient empêcher la formation d’étoiles plus petites. Or, il semblerait que de tels environnements exotiques peuvent ne pas être nécessaires. Les graines de quasars pourraient finalement se former naturellement à la rencontre de rares courants de gaz froid.