Les mystères des premiers trous noirs supermassifs

quasar trou noir
L'illustration montre la région active brillante du quasar J1120+0641 avec un trou noir supermassif dans un « mode d'alimentation ultra-efficace ». Crédits : T. Müller / MPIA

Depuis son lancement, le télescope spatial James Webb (JWST) a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers primitif, permettant aux astronomes de faire des découvertes sans précédent. L’une des plus intrigantes concerne l’observation de trous noirs supermassifs dans les premiers milliards d’années après le Big Bang. Ces géants cosmiques, tels que celui trouvé au cœur du quasar J1120+0641, défient notre compréhension actuelle de la croissance des trous noirs en raison de leur masse énorme, atteignant des milliards de fois celle du Soleil, malgré une apparente absence de mécanismes d’alimentation voraces.

Une découverte et des dilemmes

Les trous noirs supermassifs observés par le télescope spatial James Webb (JWST) représentent un défi fascinant pour les astronomes. L’un des exemples les plus marquants est le trou noir situé au cœur de la galaxie J1120+0641, observé tel qu’il était environ 770 millions d’années après le Big Bang, lorsque l’Univers avait seulement 5 % de son âge actuel.

Avec une masse un milliard de fois supérieure à celle du Soleil, ces objets colossaux posent un véritable casse-tête. Selon les modèles traditionnels, la croissance d’un trou noir jusqu’à de telles dimensions nécessite en effet des processus de fusion et d’accrétion continus sur des échelles de temps d’au moins un milliard d’années. Cela implique que les trous noirs supermassifs trouvés dans un Univers si jeune n’ont pas eu assez de temps pour atteindre leur taille actuelle par des processus connus.

L’hypothèse de la frénésie alimentaire ne tient plus

Pour expliquer cette croissance rapide, une hypothèse propose que ces trous noirs supermassifs primordiaux aient traversé une période de frénésie alimentaire ultra-efficace. Selon cette théorie, ces trous noirs auraient été capables d’accréter de la matière à un rythme exceptionnellement élevé, dépassant les limites habituelles imposées par les processus de croissance standards.

Cependant, les observations du JWST ont montré que les trous noirs supermassifs primordiaux, y compris celui situé au cœur de J1120+0641, possédaient des disques d’accrétion et des tores de gaz et de poussière similaires à ceux des trous noirs plus récents. Imaginez des anneaux de matière en rotation autour du trou noir, où la matière spirale lentement vers l’intérieur pour être engloutie. La similitude entre ces structures et celles observées dans les trous noirs plus récents suggère alors que les processus d’alimentation n’étaient pas nécessairement plus efficaces dans l’Univers primitif, contredisant ainsi l’hypothèse d’une frénésie alimentaire.

En outre, les émissions lumineuses de ces quasars, brillantes au point d’éclipser la lumière combinée des étoiles environnantes, exercent une pression de radiation qui pourrait même limiter la quantité de matière pouvant être accrétée par le trou noir, un phénomène connu sous le nom de limite d’Eddington. Elle suggère que plus un trou noir se nourrit rapidement, plus la pression de radiation augmente, repoussant la matière et limitant ainsi la vitesse à laquelle le trou noir peut continuer à croître. Alors, comment expliquer la présence de ces « monstres cosmiques » ?

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Cette illustration montre un trou noir supermassif en train de se nourrir. Comment les premiers exemples de ces objets ont-ils pu devenir aussi gros si tôt après le Big Bang ? Crédits : NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Plusieurs hypothèses

Une différence notable mise en évidence par le JWST est la température de la poussière dans le tore entourant le disque d’accrétion de J1120+0641. À environ 1 130 degrés Celsius, elle est environ cent degrés plus élevée que celle observée autour des trous noirs supermassifs plus récents. Cette différence de température pourrait indiquer des conditions différentes dans l’Univers primitif susceptible de permettre une croissance plus rapide de ces trous noirs, bien que les mécanismes exacts derrière cette observation restent à explorer.

Les astronomes explorent également de nouvelles théories. Une hypothèse privilégiée est celle des graines massives. Selon cette théorie, les trous noirs supermassifs du cosmos primitif se seraient formés à partir de graines déjà considérablement massives, de l’ordre de cent mille fois la masse du Soleil. Ces dernières pourraient s’être formées directement avec l’effondrement de nuages de gaz extrêmement massifs dans l’Univers primordial, contournant ainsi les limitations imposées par les modèles de croissance progressive grâce à l’accrétion de matière et la fusion de galaxies.

En somme, les trous noirs supermassifs du cosmos primitif, observés grâce aux capacités du JWST, remettent en question notre compréhension de l’évolution des galaxies et des trous noirs. Leur existence suggère que les processus de formation et de croissance des premiers trous noirs étaient plus complexes et diversifiés que les modèles actuels ne le laissent supposer.

Les détails de ces travaux sont publiés dans Nature Astronomy.