La formation d’un trou noir supermassif s’étale sur plus d’un milliard d’années, selon les modèles astrophysiques qui font aujourd’hui autorité. Au départ, ces objets célestes ne seraient que des trous noirs de quelques dizaines de masses solaires, formés lorsqu’une étoile massive arrivée en fin de vie s’effondre sous l’effet de sa propre gravité. Ils croissent ensuite par accrétion, c’est-à-dire en capturant le gaz qui les entoure, mais ils ne peuvent grandir qu’à une certaine vitesse, déterminée par une contrainte physique appelée limite d’Eddington. Le gaz capturé s’échauffe pendant sa chute jusqu’à émettre un rayonnement intense, dont la pression repousse la matière environnante dès que le débit d’accrétion devient trop élevé : leur croissance est naturellement autorégulée.
Les données transmises par le télescope spatial James Webb, depuis sa mise en service en 2022, semblent pourtant contredire le délai imposé par la limite d’Eddington. Lorsqu’il a livré ses premières images de l’Univers profond, les astronomes ont remarqué qu’elles étaient parsemées de nombreux « petits points rouges » (« little red dots »), des sources très compactes dont la lumière a été émise environ 600 millions d’années après le Big Bang. L’analyse de cette dernière suggère que beaucoup d’entre elles contiennent, en réalité, un trou noir de plusieurs millions de masses solaires, alors que ceux-ci n’auraient pu atteindre une telle masse qu’en accrétant au rythme maximal, sans s’interrompre depuis leur formation : un cas de figure jugé extrêmement improbable par les astrophysiciens.
Webb a ensuite détecté des cas encore plus extrêmes, comme le trou noir J1007_AGN, qui montrent que l’Univers primordial était déjà peuplé de véritables géants gravitationnels. En croisant les observations de Webb avec celles du télescope Gemini North, à Hawaï, Silvia Onorato, chercheuse postdoctorale au NOIRLab américain, a identifié deux nouveaux candidats à ajouter à cette liste. Décrits dans une étude parue le 10 novembre dans la revue The Astrophysical Journal Letters, ces objets sont une paire de trous noirs supermassifs dont la masse, à une époque aussi reculée, reste inexpliquée.
Un duo de jeunes trous noirs aux dimensions extrêmes
Le système de trous noirs étudié par Onorato et son équipe s’appelle J1602+4228AB, ou « Nāpōwawāʻenakaulua » de son nom hawaïen. Il réunit deux quasars, des trous noirs supermassifs en phase d’accrétion, entourés chacun d’un disque de gaz porté à une température telle que son rayonnement dépasse celui de toutes les étoiles de leur galaxie hôte. La lumière de ces deux quasars a voyagé 12,9 milliards d’années avant d’atteindre les télescopes : elle les montre donc tels qu’ils étaient 900 millions d’années après le Big Bang.
Le plus massif des deux est un monstre : 1,5 milliard de masses solaires ; son voisin aussi, bien qu’il ne pèse « que » 400 millions de masses solaires. Ils sont séparés de seulement 18 100 années lumière, soit un cinquième du diamètre de la Voie lactée : une distance ridicule à l’échelle cosmique. « Nous avons observé Nāpōwawāʻenakaulua à une époque où l’Univers n’avait qu’un treizième de son âge et, chose étonnante, ses trous noirs supermassifs sont tout aussi massifs que ceux que nous voyons aujourd’hui », souligne Onorato.
La chercheuse reconnaît qu’il n’existe « aucune explication théorique définitive » à la présence d’un seul quasar de cette masse à une date aussi précoce, et moins encore à celle de deux. L’équipe avance toutefois une hypothèse qui expliquerait leur masse et leur proximité : les deux quasars se trouveraient dans une région exceptionnellement dense de l’Univers jeune, où les galaxies, plus rapprochées, entraient plus fréquemment en interaction. Un milieu agité, qui aurait fourni aux trous noirs un apport en gaz abondant, tout en stimulant la stellogénèse (formation d’étoiles).
Un duo rarissime à confirmer
Hypothèse qui devra être toutefois confirmée en vérifiant qu’il s’agit bien d’une paire de quasars, et non l’image d’un seul qui aurait été dédoublée par une lentille gravitationnelle. Une galaxie ou un autre objet de masse importante pourrait se trouver entre J1602+4228AB et la Terre : sa gravité dévierait alors la lumière émise, qui nous parviendrait par deux chemins différents et dessinerait deux sources alors qu’il n’en existe qu’une. Cette éventualité explique que les auteurs qualifient leur découverte de « paire candidate ».
Une réserve avant tout méthodologique, puisqu’en comparant les spectres lumineux des deux sources (la répartition de leur lumière selon ses longueurs d’onde), l’équipe a remarqué qu’ils différaient par leur forme, une observation difficilement compatible avec ce que produirait une lentille gravitationnelle. Cet indice ne dispense pas pour autant les chercheurs d’une dernière vérification : la modélisation de la lentille supposée, qui dira si le second quasar existe réellement. Les astronomes ne connaissent à ce jour que deux autres paires de quasars datant de la même époque. Si cette paire est bien réelle, les chercheurs disposeront d’un nouveau cas concret pour étudier le jeune Univers : « Nāpōwawāʻenakaulua est un environnement vraiment unique », explique Onorato. La chercheuse le considère même comme « un laboratoire qui permet aux astronomes d’étudier la manière dont les toutes premières galaxies massives et leurs trous noirs centraux se sont assemblés, par des interactions directes entre galaxies, à ces époques reculées ».
- Une équipe de chercheurs a découvert deux trous noirs supermassifs impossibles à expliquer selon les modèles de formation actuels, datant de 900 millions d’années après le Big Bang.
- Les trous noirs, pesant respectivement 1,5 milliard et 400 millions de masses solaires, remettent en question la compréhension de l’évolution des géants de l’Univers.
- Cette découverte pourrait éclairer les interactions galactiques dans l’Univers jeune, bien qu’une vérification soit nécessaire pour confirmer qu’il s’agit bien de deux quasars distincts.
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