Les astronomes ont identifié un trou noir à croissance rapide dans l’univers primitif qui est considéré comme crucial

Jusqu’à présent, le monstre, surnommé GNz7q, se cachait inaperçu dans l’une des zones les mieux étudiées du ciel nocturne, le champ Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-North).

Les données d’archives Hubble de la caméra avancée de Hubble pour les enquêtes ont aidé l’équipe à déterminer que GNz7q existait à peine 750 millions d’années après le big bang. L’équipe a obtenu la preuve que GNz7q est un trou noir nouvellement formé. Hubble a trouvé une source compacte de lumière ultraviolette (UV) et infrarouge. Cela ne pourrait pas être causé par l’émission des galaxies, mais correspond au rayonnement attendu des matériaux qui tombent sur un trou noir.

Des trous noirs à croissance rapide dans les premières galaxies poussiéreuses en formation d’étoiles sont prédits par des théories et des simulations informatiques, mais n’avaient pas été observés jusqu’à présent.

“Notre analyse suggère que GNz7q est le premier exemple d’un trou noir à croissance rapide dans le noyau poussiéreux d’une galaxie en étoile à une époque proche du premier trou noir supermassif connu dans l’univers”, a expliqué Seiji Fujimoto, astronome au Niels Bohr. Institut de l’Université de Copenhague et auteur principal de l’article Nature décrivant cette découverte. “Les propriétés de l’objet à travers le spectre électromagnétique sont en excellent accord avec les prédictions des simulations théoriques.”

L’un des mystères les plus remarquables de l’astronomie aujourd’hui est le suivant : comment les trous noirs supermassifs, pesant des millions à des milliards de fois la masse du Soleil, sont-ils devenus si énormes si rapidement ?

Les théories actuelles prédisent que les trous noirs supermassifs commencent leur vie dans les noyaux enveloppés de poussière de galaxies “starburst” vigoureusement formées d’étoiles avant d’expulser le gaz et la poussière environnants et d’émerger sous forme de quasars extrêmement lumineux. Bien qu’extrêmement rares, ces galaxies poussiéreuses et ces quasars lumineux ont été détectés dans l’univers primitif.

L’équipe pense que GNz7q pourrait être un chaînon manquant entre ces deux classes d’objets. GNz7q a exactement les deux aspects de la galaxie starburst poussiéreuse et du quasar, où la lumière du quasar montre la couleur rougie par la poussière. De plus, GNz7q manque de diverses caractéristiques qui sont généralement observées dans les quasars typiques très lumineux (correspondant à l’émission du disque d’accrétion du trou noir supermassif), ce qui s’explique très probablement par le fait que le trou noir central de GN7q est encore dans un état jeune et phase moins massive. Ces propriétés correspondent parfaitement au jeune quasar de phase de transition qui a été prédit dans les simulations, mais jamais identifié dans un univers à décalage vers le rouge aussi élevé que les quasars très lumineux identifiés jusqu’à présent jusqu’à un décalage vers le rouge de 7,6.

“GNz7q fournit une connexion directe entre ces deux populations rares et offre une nouvelle voie pour comprendre la croissance rapide des trous noirs supermassifs aux premiers jours de l’univers”, a poursuivi Fujimoto. “Notre découverte fournit un exemple de précurseurs des trous noirs supermassifs que nous observons à des époques ultérieures.”

Alors que d’autres interprétations des données de l’équipe ne peuvent pas être complètement exclues, les propriétés observées de GNz7q sont en fort accord avec les prédictions théoriques. La galaxie hôte de GNz7q forme des étoiles au rythme de 1 600 masses solaires par an, et GNz7q lui-même apparaît brillant aux longueurs d’onde UV mais très faible aux longueurs d’onde des rayons X.

En règle générale, le disque d’accrétion d’un trou noir massif doit être très brillant à la fois dans les rayons UV et les rayons X. Mais cette fois, bien que l’équipe ait détecté la lumière UV avec Hubble, la lumière des rayons X était invisible même avec l’un des ensembles de données de rayons X les plus profonds. Ces résultats suggèrent que le noyau du disque d’accrétion, d’où proviennent les rayons X, est toujours obscurci ; tandis que la partie externe du disque d’accrétion, d’où provient la lumière UV, se dégage. Cette interprétation est que GNz7q est un trou noir à croissance rapide encore obscurci par le noyau poussiéreux de sa galaxie hôte en formation d’étoiles.

“GNz7q est une découverte unique qui a été trouvée juste au centre d’un champ céleste célèbre et bien étudié – cela montre que de grandes découvertes peuvent souvent être cachées juste devant vous”, a commenté Gabriel Brammer, un autre astronome du Niels Bohr. Institute of the University of Copenhagen et membre de l’équipe à l’origine de ce résultat. “Il est peu probable que la découverte de GNz7q dans la zone d’enquête relativement petite de GOODS-North soit simplement une” chance stupide “, mais plutôt que la prévalence de ces sources puisse en fait être nettement plus élevée qu’on ne le pensait auparavant.”

Trouver GNz7q caché à la vue de tous n’a été possible que grâce aux ensembles de données à plusieurs longueurs d’onde uniques et détaillés disponibles pour GOODS-North. Sans cette richesse de données, GNz7q aurait été facile à négliger, car il lui manquait les caractéristiques distinctives habituellement utilisées pour identifier les quasars dans l’univers primitif. L’équipe espère maintenant rechercher systématiquement des objets similaires à l’aide de relevés haute résolution dédiés et tirer parti des instruments spectroscopiques du télescope spatial James Webb de la NASA pour étudier des objets tels que GNz7q avec des détails sans précédent.

“Caractériser pleinement ces objets et sonder leur évolution et leur physique sous-jacente de manière beaucoup plus détaillée deviendra possible avec le télescope spatial James Webb”, a conclu Fujimoto. “Une fois en fonctionnement régulier, Webb aura le pouvoir de déterminer de manière décisive la fréquence réelle de ces trous noirs à croissance rapide.”

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l’ESA (Agence spatiale européenne). Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, mène des opérations scientifiques Hubble. STScI est exploité pour la NASA par l’Association des universités pour la recherche en astronomie, à Washington, DC