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Le JWST a repéré des trous noirs géants partout dans l’univers primitif

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Le JWST a repéré des trous noirs géants partout dans l’univers primitif


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

Il y a plusieurs décennies, Xiaohui Fan, astronome à l’Université de l’Arizona, a contribué à la découverte d’une série de quasars – des trous noirs supermassifs brillants – dont l’extrême jeunesse et la taille défiaient les théories standards sur la formation des trous noirs.Photographie : Tod Lauer

La première était que les galaxies de Fan étaient au départ remplies de trous noirs standard, de masse à peu près stellaire, du type de supernovas qui laissent souvent derrière elles. Celles-ci se sont ensuite développées à la fois en fusionnant et en engloutissant les gaz et poussières environnantes. Normalement, si un trou noir se régale de manière suffisamment agressive, une émission de radiations repousse ses morceaux. Cela met fin à la frénésie alimentaire et fixe une limite de vitesse pour la croissance des trous noirs que les scientifiques appellent la limite d’Eddington. Mais il s’agit d’un plafond mou : un torrent constant de poussière pourrait éventuellement vaincre l’effusion de radiations. Cependant, il est difficile d’imaginer maintenir une telle croissance « super-Eddington » assez longtemps pour expliquer les bêtes de Fan : elles auraient dû se développer à une vitesse impensable.

Ou peut-être que des trous noirs peuvent naître d’une taille improbable. Les nuages ​​​​de gaz du premier univers se sont peut-être effondrés directement en 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 de JWST est d’évaluer ces deux scénarios en scrutant le passé et en attrapant les ancêtres les plus faibles des galaxies de Fan. Ces précurseurs ne seraient pas vraiment des quasars, mais des galaxies avec des trous noirs un peu plus petits en passe de devenir des quasars. Avec JWST, les scientifiques ont toutes les chances de repérer des trous noirs qui ont à peine commencé à se développer, des objets suffisamment jeunes et suffisamment petits pour que les chercheurs puissent déterminer 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’ils ont remarqué pour la première fois des signes de l’apparition de ces jeunes trous noirs dans les jours qui ont suivi Noël.

« C’est assez impressionnant de voir combien il y en a », a écrit Jeyhan Kartaltepeastronome au Rochester Institute of Technology, lors d’une discussion sur Slack.

« Beaucoup de petits monstres cachés », a répondu Kocevski.

Illustration : Samuel Velasco/Quanta Magazine

Une foule croissante de monstres

Dans le spectre du 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 émettaient une lumière qui n’arrivait pas avec une seule teinte vive 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 lorsque les nuages ​​​​de gaz en orbite ont accéléré vers JWST (tout comme une ambulance qui s’approche émet un gémissement croissant lorsque les ondes sonores de sa sirène sont comprimées) tandis que d’autres les vagues s’étiraient à mesure 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 de cette manière.

« La seule façon de voir la large composante du gaz en orbite autour du trou noir est de regarder directement dans le canon 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 plus grande partie des centaines de galaxies collectées par leur programme pour déterminer le nombre exact de trous noirs. 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 étudié 185 des galaxies CEERS les plus éloignées et trouvé 10 avec de larges raies d’hydrogène – le travail probable de trous noirs centraux d’un million de masse solaire avec des décalages vers le rouge compris entre 4 et 7. Puis en juin, une analyse de deux autres enquêtes menées par Jorryt Matthée de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich en a identifié 20 autres »petits points rouges » avec de larges raies d’hydrogène : des trous noirs tournant autour du redshift 5. Une analyse posté début août en a annoncé une douzaine d’autres, dont quelques-uns pourraient même être en train de croître par fusion.

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