JWST repère des trous noirs géants dans tout l'univers primitif | Quanta Magazine

Des années avant qu'elle ne soit même sûre que Télescope spatial James Webb lancerait avec succès, Christina Eiler a commencé à planifier une conférence pour les astronomes spécialisés dans l'univers primitif. Elle savait que si – de préférence, quand – le JWST commençait à faire des observations, elle et ses collègues auraient beaucoup de choses à se dire. Comme une machine à remonter le temps, le télescope pouvait voir plus loin et plus loin dans le passé que n'importe quel instrument précédent.

Heureusement pour Eilers (et le reste de la communauté astronomique), sa planification n'a pas été vaine : JWST a été lancé et déployé sans accroc, puis a commencé à scruter sérieusement l'univers primitif depuis son perchoir dans l'espace à des millions de kilomètres.

À la mi-juin, environ 150 astronomes se sont réunis à la conférence JWST «First Light» du Massachusetts Institute of Technology for Eilers. Pas tout à fait un an s'était écoulé depuis le JWST commencé à envoyer des images de retour sur Terre. Et tout comme Eilers l'avait prévu, le télescope refaçonnait déjà la compréhension des astronomes du premier milliard d'années du cosmos.

Un ensemble d'objets énigmatiques s'est démarqué dans la myriade de présentations. Certains astronomes les appelaient « petits monstres cachés ». Pour d'autres, c'étaient des "petits points rouges". Mais quel que soit leur nom, les données étaient claires : lorsque JWST regarde les jeunes galaxies - qui apparaissent comme de simples points rouges dans l'obscurité - il en voit un nombre surprenant avec des cyclones tourbillonnant en leur centre.

"Il semble y avoir une population abondante de sources que nous ne connaissions pas", a déclaré Eilers, astronome au MIT, "que nous n'avions pas du tout prévu de trouver".

Ces derniers mois, un torrent d'observations des taches cosmiques a ravi et déconcerté les astronomes.

"Tout le monde parle de ces petits points rouges", a déclaré Ventilateur Xiaohui, chercheur à l'Université de l'Arizona qui a passé sa carrière à chercher des objets lointains dans l'univers primitif.

L'explication la plus simple pour les galaxies au cœur de tornade est que de grands trous noirs pesant des millions de soleils fouettent les nuages ​​​​de gaz dans une frénésie. Cette découverte est à la fois attendue et déconcertante. Il est attendu parce que JWST a été construit, en partie, pour trouver les objets anciens. Ce sont les ancêtres des trous noirs géants d'un milliard de soleils qui semblent apparaître inexplicablement tôt dans les archives cosmiques. En étudiant ces trous noirs précurseurs, comme trois jeunes records découverts cette année, les scientifiques espèrent savoir d'où viennent les premiers trous noirs gigantesques et peut-être identifier laquelle des deux théories concurrentes décrit le mieux leur formation : ont-ils grandi extrêmement rapidement, ou sont-ils simplement nés grands ? Pourtant, les observations sont également déconcertantes car peu d'astronomes s'attendaient à ce que JWST trouve autant de trous noirs jeunes et affamés – et les enquêtes les révèlent par dizaines. En essayant de résoudre l'ancien mystère, les astronomes ont découvert une foule de trous noirs volumineux qui pourraient réécrire les théories établies des étoiles, des galaxies et plus encore.

"En tant que théoricien, je dois construire un univers", a déclaré Marta Volontéri, astrophysicien spécialiste des trous noirs à l'Institut d'Astrophysique de Paris. Volonteri et ses collègues font maintenant face à l'afflux de trous noirs géants dans le cosmos primitif. "S'ils sont [réels], ils changent complètement l'image."

Une machine à voyager dans le temps cosmique

Les observations du JWST bouleversent l'astronomie en partie parce que le télescope peut détecter la lumière atteignant la Terre depuis plus profondément dans l'espace que n'importe quelle machine antérieure.

"Nous avons construit ce télescope d'une puissance absurde en 20 ans", a déclaré Grant Tremblay, astrophysicien au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Le but était à l'origine de regarder profondément dans le temps cosmique."

L'un des objectifs de la mission est d'attraper des galaxies en train de se former au cours du premier milliard d'années de l'univers (sur environ 13.8 milliards d'années d'histoire). Les premières observations du télescope de l'été dernier fait allusion à un jeune univers plein de galaxies étonnamment matures, mais les informations que les astronomes pouvaient extraire de ces images étaient limitées. Pour vraiment comprendre l'univers primitif, les astronomes avaient besoin de plus que de simples images ; ils avaient soif des spectres de ces galaxies - les données qui arrivent lorsque le télescope décompose la lumière entrante en teintes spécifiques.

Les spectres galactiques, que JWST a commencé à renvoyer sérieusement à la fin de l'année dernière, sont utiles pour deux raisons.

Tout d'abord, ils ont laissé les astronomes déterminer l'âge de la galaxie. La lumière infrarouge que JWST collecte est rougie ou décalée vers le rouge, ce qui signifie que lorsqu'elle traverse le cosmos, ses longueurs d'onde sont étirées par l'expansion de l'espace. L'étendue de ce décalage vers le rouge permet aux astronomes de déterminer la distance d'une galaxie, et donc quand elle a initialement émis sa lumière. Les galaxies proches ont un décalage vers le rouge presque nul. JWST peut facilement distinguer les objets au-delà d'un décalage vers le rouge de 5, ce qui correspond à environ 1 milliard d'années après le Big Bang. Les objets à des décalages vers le rouge plus élevés sont significativement plus anciens et plus éloignés.

Deuxièmement, les spectres donnent aux astronomes une idée de ce qui se passe dans une galaxie. Chaque teinte marque une interaction entre les photons et des atomes (ou molécules) spécifiques. Une couleur provient d'un atome d'hydrogène clignotant lorsqu'il s'installe après une secousse ; un autre indique des atomes d'oxygène bousculés, et un autre azote. Un spectre est un motif de couleurs qui révèle de quoi est faite une galaxie et ce que font ces éléments, et JWST fournit ce contexte crucial pour les galaxies à des distances sans précédent.

"Nous avons fait un énorme bond en avant", a déclaré Ayush Saxena, astronome à l'Université d'Oxford. Le fait que "nous parlons de la composition chimique des galaxies à redshift 9 est absolument remarquable".

(Redshift 9 est d'une distance époustouflante, correspondant à une époque où l'univers n'avait que 0.55 milliard d'années.)

Les spectres galactiques sont aussi de parfaits outils pour trouver un perturbateur majeur des atomes : les trous noirs géants qui rôdent au cœur des galaxies. Les trous noirs eux-mêmes sont sombres, mais lorsqu'ils se nourrissent de gaz et de poussière, ils déchirent les atomes, les faisant rayonner de couleurs révélatrices. Bien avant le lancement de JWST, les astrophysiciens espéraient que le télescope les aiderait à repérer ces modèles et à trouver suffisamment des trous noirs les plus grands et les plus actifs de l'univers primitif pour résoudre le mystère de leur formation.

Trop grand, trop tôt

Le mystère a commencé il y a plus de 20 ans, lorsqu'une équipe dirigée par Fan a repéré l'un des les galaxies les plus lointaines jamais observé - un quasar brillant ou une galaxie ancrée à un trou noir supermassif actif pesant peut-être des milliards de soleils. Il avait un décalage vers le rouge de 5, correspondant à environ 1.1 milliard d'années après le Big Bang. Avec d'autres balayages du ciel, Fan et ses collègues ont battu à plusieurs reprises leurs propres records, repoussant la frontière du redshift du quasar à 6 dans 2001 et finalement à 7.6 dans 2021 — juste 0.7 milliard d'années après le Big Bang.

Le problème était que créer des trous noirs aussi gigantesques semblait impossible si tôt dans l'histoire cosmique.

Comme tout objet, les trous noirs mettent du temps à se développer et à se former. Et comme un tout-petit de 6 pieds de haut, les trous noirs surdimensionnés de Fan étaient trop grands pour leur âge – l'univers n'était pas assez vieux pour qu'ils aient accumulé des milliards de soleils de poids. Pour expliquer ces tout-petits trop grands, les physiciens ont été contraints d'envisager deux options désagréables.

La première était que les galaxies de Fan étaient initialement remplies de trous noirs standard de masse à peu près stellaire, du type que les supernovas laissent souvent derrière elles. Ceux-ci ont ensuite grandi à la fois en fusionnant et en engloutissant les gaz et poussières environnants. Normalement, si un trou noir se régale de manière suffisamment agressive, une effusion de rayonnement repousse ses morceaux. Cela arrête la frénésie alimentaire et fixe une limite de vitesse pour la croissance des trous noirs que les scientifiques appellent la limite d'Eddington. Mais c'est un plafond mou : un torrent constant de poussière pourrait éventuellement surmonter l'effusion de radiations. Cependant, il est difficile d'imaginer maintenir une croissance aussi «super-Eddington» assez longtemps pour expliquer les bêtes de Fan – elles auraient dû grossir à une vitesse impensable.

Ou peut-être que les trous noirs peuvent naître d'une taille improbable. Les nuages ​​​​de gaz de l'univers primitif se sont peut-être effondrés directement dans des trous noirs pesant plusieurs milliers de soleils, produisant des objets appelés graines lourdes. Ce scénario est également difficile à digérer, car ces gros nuages ​​de gaz grumeleux devraient se fracturer en étoiles avant de former un trou noir.

L'une des priorités du JWST est d'évaluer ces deux scénarios en scrutant le passé et en capturant les ancêtres les plus faibles des galaxies de Fan. Ces précurseurs ne seraient pas tout à fait des quasars, mais des galaxies avec des trous noirs un peu plus petits en passe de devenir des quasars. Avec JWST, les scientifiques ont leur meilleure chance de repérer des trous noirs qui ont à peine commencé à se développer – des objets suffisamment jeunes et suffisamment petits pour que les chercheurs déterminent leur poids à la naissance.

C'est l'une des raisons pour lesquelles un groupe d'astronomes du Cosmic Evolution Early Release Science Survey, ou CEERS, dirigé par Dale Kocevski du Colby College, a commencé à faire des heures supplémentaires lorsqu'il a remarqué pour la première fois des signes d'apparition de ces jeunes trous noirs dans les jours qui ont suivi Noël.

"C'est assez impressionnant le nombre d'entre eux", a écrit Jeyhan Kartaltepe, astronome au Rochester Institute of Technology, lors d'une discussion sur Slack.

"Beaucoup de petits monstres cachés", a répondu Kocevski.

Une foule croissante de monstres

Dans les spectres CEERS, quelques galaxies sont immédiatement apparues comme cachant potentiellement des bébés trous noirs – les petits monstres. Contrairement à leurs frères et sœurs plus vanille, ces galaxies ont émis de la lumière qui n'est pas arrivée avec une seule nuance nette pour l'hydrogène. Au lieu de cela, la ligne d'hydrogène a été étalée ou élargie dans une gamme de teintes, indiquant que certaines ondes lumineuses ont été écrasées alors que les nuages ​​​​de gaz en orbite accéléraient vers JWST (tout comme une ambulance qui approche émet un gémissement croissant lorsque les ondes sonores de sa sirène sont compressées) tandis que d'autres les vagues s'étiraient tandis que les nuages ​​s'envolaient. Kocevski et ses collègues savaient que les trous noirs étaient à peu près le seul objet capable de projeter de l'hydrogène comme ça.

"La seule façon de voir la large composante du gaz en orbite autour du trou noir est de regarder directement dans le baril de la galaxie et directement dans le trou noir", a déclaré Kocevski.

Fin janvier, l'équipe du CEERS avait réussi à produire une prépublication décrivant deux des "petits monstres cachés", comme ils les appelaient. Ensuite, le groupe a entrepris d'étudier systématiquement une bande plus large des centaines de galaxies collectées par leur programme pour voir combien de trous noirs s'y trouvaient. Mais ils ont été récupérés par une autre équipe, dirigée par Yuichi Harikane de l'Université de Tokyo, quelques semaines plus tard. Le groupe de Harikane a fouillé 185 des galaxies CEERS les plus éloignées et trouvés 10 avec de larges lignes d'hydrogène - le travail probable de trous noirs centraux d'un million de masse solaire à des décalages vers le rouge entre 4 et 7. Puis en juin, une analyse de deux autres enquêtes menées par Jorryt Matthée de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich a identifié 20 autres "petits points rouges» avec de larges raies d'hydrogène : des trous noirs tourbillonnant autour du décalage vers le rouge 5. Une analyse mis en ligne début août ont annoncé une dizaine d'autres, dont quelques-unes pourraient même être en train de grandir en fusionnant.

"J'attends ces choses depuis si longtemps", a déclaré Volonteri. "Ça a été incroyable."

Mais peu d'astronomes ont anticipé le grand nombre de galaxies avec un grand trou noir actif. Les bébés quasars de la première année d'observations du JWST sont plus nombreux que ce que les scientifiques avaient prédit sur la base de la recensement des quasars adultes — entre 10 fois et 100 fois plus abondante.

"Il est surprenant pour un astronome que nous nous soyons éloignés d'un ordre de grandeur ou même plus", a déclaré Eilers, qui a contribué à l'article sur les petits points rouges.

"On a toujours eu l'impression qu'à décalage vers le rouge élevé, ces quasars n'étaient que la pointe de l'iceberg", a déclaré Stéphanie Juneau, astronome au NOIRLab de la National Science Foundation et co-auteur de l'article sur les petits monstres. "Nous pourrions découvrir qu'en dessous, cette population [plus faible] est encore plus grande que l'iceberg ordinaire."

Ces deux vont à presque 11

Mais pour apercevoir les bêtes à leurs débuts, les astronomes savent qu'ils devront pousser bien au-delà des décalages vers le rouge de 5 et regarder plus profondément dans le premier milliard d'années de l'univers. Récemment, plusieurs équipes ont repéré des trous noirs se nourrissant à des distances vraiment sans précédent.

En Mars, une analyse CEERS menée par Rébecca Larson, un astrophysicien de l'Université du Texas à Austin, a découvert une large raie d'hydrogène dans une galaxie à un décalage vers le rouge de 8.7 (0.57 milliard d'années après le Big Bang), établissant un nouveau record pour le trou noir actif le plus éloigné jamais découvert.

Mais le record de Larson est tombé quelques mois plus tard, après que les astronomes de la collaboration JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) aient mis la main sur le spectre de GN-z11. Au décalage vers le rouge de 10.6, GN-z11 était au bord le plus faible de la vision du télescope spatial Hubble, et les scientifiques étaient impatients de l'étudier avec des yeux plus aiguisés. En février, JWST avait passé plus de 10 heures à observer GN-z11, et les chercheurs ont pu dire tout de suite que la galaxie était bizarre. Son abondance de azote était "complètement détraqué", a déclaré Jean Schotz, membre de JADES à l'Université de Cambridge. Voir autant d'azote dans une jeune galaxie, c'était comme rencontrer un enfant de 6 ans avec une ombre à cinq heures, surtout quand l'azote était comparé aux maigres réserves d'oxygène de la galaxie, un atome plus simple que les étoiles devraient assembler en premier.

La collaboration JADES a poursuivi avec environ 16 autres heures d'observation JWST début mai. Les données supplémentaires ont affiné le spectre, révélant que deux nuances visibles d'azote étaient extrêmement inégales - une brillante et une faible. Le modèle, a déclaré l'équipe, indiquait que GN-z11 était plein de nuages ​​​​de gaz denses concentrés par un force gravitationnelle redoutable.

"C'est alors que nous avons réalisé que nous regardions droit dans le disque d'accrétion du trou noir", a déclaré Scholtz. Cet alignement fortuit explique pourquoi la galaxie lointaine était suffisamment brillante pour que Hubble puisse la voir en premier lieu.

Des trous noirs extrêmement jeunes et affamés comme GN-z11 sont les objets exacts que les astrophysiciens espéraient résoudre le dilemme de la naissance des quasars de Fan. Mais dans une torsion, il s'avère que même le superlatif GN-z11 n'est pas assez jeune ou assez petit pour que les chercheurs puissent déterminer de manière concluante sa masse à la naissance.

"Nous devons commencer à détecter les masses de trous noirs à un décalage vers le rouge bien supérieur à 11", a déclaré Scholtz. "Je n'avais aucune idée que je dirais cela il y a un an, mais nous y sommes."

Un soupçon de lourdeur

Jusque-là, les astronomes ont recours à des astuces plus subtiles pour trouver et étudier les trous noirs nouveau-nés, des astuces comme téléphoner à un ami – ou à un autre télescope spatial phare – pour obtenir de l'aide.

Au début de 2022, Volonteri, Tremblay et leurs collaborateurs ont commencé à pointer périodiquement l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA vers un amas de galaxies dont ils savaient qu'il figurerait sur la liste restreinte du JWST. Le cluster agit comme une lentille. Il plie le tissu de l'espace-temps et magnifie les galaxies les plus éloignées derrière lui. L'équipe voulait voir si l'une de ces galaxies d'arrière-plan crachait des rayons X, une carte de visite traditionnelle d'un trou noir vorace.

Au cours d'une année, Chandra a regardé la lentille cosmique pendant deux semaines - l'une de ses plus longues campagnes d'observation à ce jour - et a collecté 19 photons de rayons X provenant d'une galaxie appelée UHZ1, à un décalage vers le rouge de 10.1. Ces 19 photons à indice d'octane élevé provenaient très probablement d'un trou noir en croissance qui existait moins d'un demi-milliard d'années après le Big Bang, ce qui en fait de loin la source de rayons X la plus éloignée jamais détectée.

En combinant les données JWST et Chandra, le groupe a appris quelque chose d'étrange et d'instructif. Dans la plupart des galaxies modernes, presque toute la masse se trouve dans les étoiles, avec moins d'un pour cent environ dans le trou noir central. Mais dans UHZ1, la masse semble également répartie entre les étoiles et le trou noir – ce qui n'est pas le modèle auquel les astronomes se seraient attendus pour l'accrétion de super-Eddington.

Une explication plus plausible, l'équipe a proposé, est que le trou noir central d'UHZ1 est né lorsqu'un nuage géant s'est effondré en un énorme trou noir, laissant peu de gaz pour faire des étoiles. Ces observations "pourraient être compatibles avec une graine lourde", a déclaré Tremblay. C'est "fou de penser à ces boules de gaz géantes qui viennent de s'effondrer".

C'est un univers de trou noir

Certaines des conclusions spécifiques de la folle ruée vers les spectres au cours des derniers mois sont vouées à changer à mesure que les études passent par un examen par les pairs. Mais la conclusion générale – que le jeune univers a créé extrêmement rapidement une foule de trous noirs géants et actifs – est susceptible de survivre. Après tout, les quasars de Fan devaient provenir de quelque part.

"Les nombres exacts et les détails de chaque objet restent incertains, mais il est très convaincant que nous trouvions une grande population de trous noirs en accrétion", a déclaré Eilers. "JWST les a révélés pour la première fois, et c'est très excitant."

Pour les spécialistes des trous noirs, c'est une révélation qui couve depuis des années. Des études récentes de galaxies adolescentes désordonnées dans l'univers moderne a laissé entendre que les trous noirs actifs dans les jeunes galaxies étaient négligés. Et les théoriciens ont eu du mal parce que leurs modèles numériques produisaient continuellement des univers avec beaucoup plus de trous noirs que les astronomes ne voyaient dans le vrai.

"J'ai toujours dit que ma théorie était fausse et que l'observation était bonne, donc je dois corriger ma théorie", a déclaré Volonteri. Pourtant, peut-être que l'écart n'indiquait pas un problème avec la théorie. "Peut-être que ces petits points rouges n'étaient pas pris en compte", a-t-elle déclaré.

Maintenant que les trous noirs flamboyants s'avèrent être plus que de simples camées cosmiques dans un univers en pleine maturation, les astrophysiciens se demandent si la refonte des objets dans des rôles théoriques plus charnus pourrait atténuer d'autres maux de tête.

Après avoir étudié certaines des premières images du JWST, certains astronomes ont rapidement souligné que certaines galaxie semblaient incroyablement lourds, compte tenu de leur jeunesse. Mais dans au moins certains cas, un trou noir d'une brillance aveuglante pourrait amener les chercheurs à surestimer le poids des étoiles environnantes.

Une autre théorie qui pourrait nécessiter des ajustements est la vitesse à laquelle les galaxies produisent des étoiles, qui a tendance à être trop élevée dans les simulations de galaxies. Kocevski spécule que de nombreuses galaxies passent par une phase de monstre caché qui déclenche un ralentissement de la formation d'étoiles ; ils commencent coconnés dans la poussière d'étoiles, puis leur trou noir devient suffisamment puissant pour disperser la substance stellaire dans le cosmos, ralentissant la formation d'étoiles. "Nous pourrions envisager ce scénario en jeu", a-t-il déclaré.

Alors que les astronomes lèvent le voile sur l'univers primitif, les intuitions académiques sont plus nombreuses que les réponses concrètes. Pour autant que JWST change déjà la façon dont les astronomes pensent aux trous noirs actifs, les chercheurs savent que les vignettes cosmiques révélées par le télescope cette année ne sont que des anecdotes par rapport à ce qui est à venir. Des campagnes d'observation comme JADES et CEERS ont trouvé des dizaines de trous noirs probables qui les regardent depuis des éclats de ciel d'environ un dixième de la taille de la pleine lune. De nombreux autres bébés trous noirs attendent l'attention du télescope et de ses astronomes.

"Tous ces progrès ont été réalisés au cours des neuf à douze premiers mois", a déclaré Saxena. "Maintenant, nous avons [JWST] pour les neuf ou 12 prochaines années."