Illustration d’une galaxie dite naine rouge qui héberge un trou noir supermassif en phase de super accrétion. © NOIRLab / NSF / AURA / J
Il n’a pas un très joli nom (LID-568), mais il est brillant, ce qui est dommage pour un trou noir. Les astronomes de l’Observatoire international Gemini aux États-Unis ont remarqué qu’elle franchit un seuil critique en termes de vitesse d’accrétion de matière. Autrement dit, la vitesse à laquelle il absorbe cette dernière en rotation autour de lui. Ce trou noir « mange » trop.
Un télescope spatial identifie un Gargantua trop vorace
Terminons les présentations avant de détailler pourquoi et comment cette découverte constitue une véritable avancée dans la compréhension de l’évolution des premières galaxies. LID-568 se trouve dans l’Univers il y a seulement 1,5 milliard d’années – il en a 13,78 milliards aujourd’hui. Il réside dans une galaxie appelée AGN (Activ Galaxy Nucleus) où l’on voit que son noyau, et donc son trou noir central, absorbe beaucoup de matière.
Cette galaxie lointaine est une AGN. Le quasar en son centre brille comme des centaines de milliards d’étoiles. © NASA / ESA / John Bahcall (Institute for Advanced Study, Princeton) Mike Disney (Université du Pays de Galles)
A l’origine, LID-568 figurait dans un catalogue de galaxies du télescope Chandra, spécialisé dans les rayons X. Or, c’est précisément ce type de rayonnement qui caractérise l’AGN et la gourmandise des trous noirs. En effet, lorsque la matière tombe en tournant autour d’un trou noir dans son disque d’accrétion, elle s’échauffe et rayonne de plus en plus fortement à mesure qu’elle se rapproche de l’horizon des événements.
Faisons maintenant l’analogie d’un géant qui a tellement des haut-le-cœur qu’une certaine quantité de nourriture ne peut pas entrer par la bouche. C’est un peu ce qui se passe avec les trous noirs, avec cette différence : la matière arrive si vite sur l’horizon sphérique (à peu près sphérique en réalité) qu’elle va remonter le long de lignes magnétiques et être expulsée sous forme de jet. C’est ainsi que se forment les jets d’écoulement de trous noirs.
Un jet du trou noir supermassif M87*. Cette dernière s’étend sur au moins 5000 années-lumière. © NASA/ESA/Hubble ST
Ce trou noir supermassif fait exploser la limite d’Eddington de 44 %
Il existe une limite, appelée limite d’Eddington, qui correspond à la luminosité maximale possible pour un objet sphérique accrétant de la matière. Au-delà de cette limite, la pression de rayonnement est censée vaincre la gravité. On pense alors que ce mécanisme très complexe est lié à l’apparition des forts flux de matière observés, par exemple avec les jets issus des trous noirs. Le LID-568 est précisément 44 % au-delà de la limite d’Eddington.
Sans le James-Webb, ce « super Eddington » serait sans doute passé inaperçu, car sa masse n’est pas extraordinaire. Il « pèse » 7 millions de masses solaires, ce qui est impressionnant pour un trou noir de l’Univers primitif, mais insuffisant pour se démarquer des autres galaxies AGN.
« En fin de compte, la détection du LID-568 serait impossible sans JWST. L’utilisation du spectrographe de champ intégral était innovante et nécessaire pour obtenir notre observation”s’enthousiasme Emanuele Farina, astronome international à l’Observatoire Gemini/NSF NOIRLab et co-auteur de l’article.
Position du LID-568 sur un graphique de la luminosité par rapport à la masse du trou noir (au-dessus de la masse stellaire de la galaxie). On voit que le LID-568 se démarque particulièrement. © Hyewon Sue et al, Astronomie de la nature, 2024
La phase « super Eddington » est un bon indice pour expliquer la croissance rapide des trous noirs supermassifs
De nombreux mystères entourent encore la formation et la croissance des trous noirs supermassifs. En particulier, nous ne savons pas comment certains peuvent atteindre une telle ampleur si tôt. Cette phase de « super Eddington » semble donc constituer un bon indice quant à leur évolution rapide.
Les auteurs de l’étude rappellent également qu’il existe deux hypothèses principales pour leur formation : soit ces trous noirs naissent de graines « lourdes », c’est-à-dire de nuages de gaz géants qui s’effondrent directement en trous noirs, soit de graines « légères », étoiles primitives bien plus massives que celles que nous connaissons aujourd’hui.