James Webb repère un trou noir colossal dans l’univers primitif

james webb trou noir rouge
Une illustration montre un trou noir supermassif rouge extrême dans l’univers primitif. Crédits : Robert Lea

Des astronomes ont fait une découverte fascinante en identifiant un trou noir supermassif d’une ampleur exceptionnelle dans les débuts de l’univers. Émettant une lumière provenant d’une période où notre cosmos n’avait que 764 millions d’années, ce trou noir massif est estimé à 40 millions de fois la masse de notre Soleil, défiant les attentes pour cette époque précoce.

Des « phares » dans l’univers primitif

Les quasars prennent naissance lorsque d’énormes quantités de matière entourent des trous noirs supermassifs. Cette matière s’organise en un disque d’accrétion composé de gaz et de poussières, alimentant progressivement le trou noir. Sous l’effet de la puissante gravité de ce dernier, cette matière est agitée, engendrant des températures extrêmes et provoquant une brillance intense.

En outre, la matière qui n’est pas absorbée par le trou noir supermassif est canalisée vers les pôles du titan cosmique. Les particules dans ces zones sont alors propulsées à des vitesses proches de celle de la lumière, formant des jets étroitement collimatés. Lorsque ces jets relativistes sont émis, ils créent des éruptions lumineuses accompagnées d’émissions électromagnétiques éblouissantes.

Ces phénomènes font que les quasars, alimentés par des trous noirs supermassifs au sein de noyaux galactiques actifs (AGN), se distinguent souvent par leur éclat éblouissant, à tel point que leur lumière peut surpasser celle de toutes les étoiles combinées présentes dans leur galaxie environnante.

Le quasar dont il est ici question n’aurait cependant pas été visible sans l’aide d’un effet prédit par Albert Einstein en 1915 : la lentille gravitationnelle.

Effet loupe

La théorie de la relativité générale d’Einstein suggère que les objets possédant une masse déforment l’espace-temps. Selon cette théorie, la gravité découle de cette courbure, avec une courbure plus prononcée de l’espace-temps à mesure que la masse d’un objet augmente.

À mesure que la lumière se rapproche d’un objet massif, sa trajectoire devient ainsi de plus en plus courbée, modifiant ainsi son apparence. Parfois, cet effet peut même donner l’impression que l’objet d’arrière-plan apparaît à plusieurs endroits dans une seule image du ciel. Dans d’autres cas, la lumière provenant de l’objet d’arrière-plan est simplement amplifiée, entraînant une augmentation de sa taille apparente.

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Un diagramme montre comment la lumière provenant d’une source d’arrière-plan est courbée par sa masse, générant un effet appelé lentille gravitationnelle. Crédits : NASA, ESA et L. Calçada

Un trou noir supermassif 700 millions d’années

Dans le cadre de ces récents travaux, le télescope James Webb a utilisé un amas de galaxies appelé Abell 2744 comme corps de lentille de premier plan pour amplifier la lumière des galaxies d’arrière-plan, qui sont autrement trop éloignées pour être vues. Cela a révélé le quasar sur lequel ils se sont concentrés.

Ce dernier était à l’origine visible sous la forme de trois points rouges. Les chercheurs ont ensuite utilisé un modèle de lentille numérique afin de déterminer qu’ils devaient être des images multiples de la même source d’arrière-plan, observée lorsque l’univers n’avait que 700 millions d’années.

L’analyse des couleurs de l’objet a également indiqué qu’il ne s’agissait pas d’une galaxie typique de formation d’étoiles. Avec sa taille compacte, il est en effet devenu évident qu’il s’agissait probablement d’un trou noir supermassif. Sa teinte très rouge dans les images vient du fait que sa lumière ait été étirée au fil du temps par l’expansion de l’univers et que l’objet soit entouré d’un vaste nuage de gaz et de poussière.

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Crédits : S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

Un objet colossal

Malgré sa jeunesse, ce trou noir supermassif surpasse sa galaxie hôte et se révèle étrangement plus massif que la norme. En général, un trou noir supermassif devrait en effet représenter environ 0,1 % de la masse des étoiles de sa galaxie, mais ces observations révèlent des trous noirs surdimensionnés, dépassant cette estimation d’au moins dix fois.

Cette découverte ajoute encore au mystère de la façon dont les trous noirs supermassifs, qui peuvent être des millions (voire des milliards) de fois plus massifs que le soleil, ont atteint des tailles aussi énormes au cours de l’enfance de l’univers. Il a effectivement été découvert que plusieurs autres trous noirs supermassifs de l’univers primitif présentent des caractéristiques similaires. Pour l’heure, les astronomes sont incapables de l’expliquer.

Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Nature.