Les astronomes ont découvert le trou noir le plus éloigné jamais observé en rayons X, à l’aide des télescopes de la NASA. Le trou noir se trouve à un stade précoce de croissance jamais observé auparavant, où sa masse est similaire à celle de sa galaxie hôte.
Ce résultat pourrait expliquer comment se sont formés certains des premiers trous noirs supermassifs de l’univers.
En combinant les données de l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA et du télescope spatial James Webb de la NASA, une équipe de chercheurs a pu trouver la signature révélatrice d’un trou noir en croissance à peine 470 millions d’années après le Big Bang.
“Nous avions besoin de Webb pour trouver cette galaxie remarquablement lointaine et de Chandra pour trouver son trou noir supermassif”, a déclaré Akos Bogdan du Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian (CfA), qui dirige un nouvel article dans la revue Nature Astronomy décrivant ces résultats. “Nous avons également profité d’une loupe cosmique qui a augmenté la quantité de lumière que nous avons détectée.” Cet effet grossissant est connu sous le nom de lentille gravitationnelle.
Bogdan et son équipe ont découvert le trou noir dans une galaxie nommée UHZ1 en direction de l’amas de galaxies Abell 2744, situé à 3,5 milliards d’années-lumière de la Terre. Les données Webb ont cependant révélé que la galaxie est beaucoup plus éloignée que l’amas, à 13,2 milliards d’années-lumière de la Terre, alors que l’univers n’avait que 3 % de son âge actuel.
Ensuite, plus de deux semaines d’observations avec Chandra ont montré la présence d’un gaz intense, surchauffé, émetteur de rayons X dans cette galaxie – une marque pour un trou noir supermassif en pleine croissance. La lumière de la galaxie et les rayons X du gaz autour de son trou noir supermassif sont amplifiés d’environ un facteur quatre par la matière intervenant dans Abell 2744 (en raison de la lentille gravitationnelle), améliorant le signal infrarouge détecté par Webb et permettant à Chandra de détecter la faible source de rayons X.
Cette découverte est importante pour comprendre comment certains trous noirs supermassifs peuvent atteindre des masses colossales peu après le big bang. Se forment-ils directement à partir de l’effondrement d’énormes nuages de gaz, créant des trous noirs pesant entre 10 000 et 100 000 Soleils ? Ou proviennent-ils des explosions des premières étoiles qui créent des trous noirs pesant seulement entre 10 et 100 Soleils environ ?
« Il existe des limites physiques à la rapidité avec laquelle les trous noirs peuvent se développer une fois formés, mais ceux qui naissent plus massifs ont une longueur d’avance. C’est comme planter un jeune arbre, qui prend moins de temps pour devenir un arbre de taille réelle que si vous commenciez avec seulement une graine », a déclaré Andy Goulding de l’Université de Princeton. Goulding est co-auteur de l’article Nature Astronomy et auteur principal d’un nouvel article dans The Astrophysical Journal Letters qui rapporte la distance et la masse de la galaxie à l’aide d’un spectre de Webb.
L’équipe de Bogdan a trouvé des preuves solides que le trou noir nouvellement découvert est né massif. On estime que sa masse se situe entre 10 et 100 millions de Soleils, sur la base de la luminosité et de l’énergie des rayons X. Cette plage de masse est similaire à celle de toutes les étoiles de la galaxie où elle vit, ce qui contraste fortement avec les trous noirs situés au centre des galaxies de l’univers proche, qui ne contiennent généralement qu’environ un dixième de pour cent de la masse de leur masse. les étoiles de la galaxie hôte.
La grande masse du trou noir à un jeune âge, ainsi que la quantité de rayons X qu’il produit et la luminosité de la galaxie détectée par Webb, tous concordent avec les prédictions théoriques faites en 2017 par le co-auteur Priyamvada Natarajan de l’Université de Yale pour un « Trou noir surdimensionné »qui s’est formé directement à partir de l’effondrement d’un énorme nuage de gaz.
“Nous pensons qu’il s’agit de la première détection d’un ‘trou noir démesuré’ et de la meilleure preuve jusqu’à présent obtenue que certains trous noirs se forment à partir d’énormes nuages de gaz”, a déclaré Natarajan. “Pour la première fois, nous assistons à une brève étape au cours de laquelle un trou noir supermassif pèse à peu près autant que les étoiles de sa galaxie, avant de prendre du retard.”
Les chercheurs prévoient d’utiliser ces résultats ainsi que d’autres résultats provenant de Webb et de ceux combinant les données d’autres télescopes pour dresser un tableau plus large de l’univers primitif.
Le télescope spatial Hubble de la NASA a précédemment montré que la lumière provenant de galaxies lointaines est fortement amplifiée par la matière présente dans l’amas de galaxies intermédiaire, ce qui explique en partie les observations de Webb et Chandra décrites ici.
L’article décrivant les résultats de l’équipe de Bogdan paraît dans Nature Astronomy, et une prépublication est disponible en ligne.
Les données Webb utilisées dans les deux articles font partie d’une enquête appelée Ultradeep Nirspec et nirCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER). L’article dirigé par Andy Goulding, membre de l’équipe UNCOVER, apparaît dans le Lettres de journaux astrophysiques. Les co-auteurs comprennent d’autres membres de l’équipe UNCOVER, ainsi que Bogdan et Natarajan. Un document d’interprétation détaillé comparant les propriétés observées d’UHZ1 avec des modèles théoriques pour les galaxies de trous noirs surdimensionnés est à paraître.
Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le Chandra X-ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory contrôle les opérations scientifiques depuis Cambridge, dans le Massachusetts, et les opérations aériennes depuis Burlington, dans le Massachusetts.
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sonde les structures et origines mystérieuses de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.
En savoir plus sur l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA.
Pour plus d’images Chandra, de multimédia et de matériel connexe, visitez :
https://www.nasa.gov/mission/chandra-x-ray-observatory/
Megan Watzke
Centre de radiographie Chandra
Cambridge, Mass.
617-496-7998
Jonathan Deal
Centre de vol spatial Marshall
Huntsville, Alabama.
256-544-0034
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