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Les scientifiques ont fait la lumière sur un mystère de longue date concernant les anciens trous noirs supermassifs et les galaxies qu’ils habitent en observant des objets incroyablement lumineux qui existaient dans l’univers primitif, juste 500 millions à un milliard d’années après le Big Bang, rapporte une nouvelle étude.
Les trous noirs sont des régions époustouflantes du cosmos qui contiennent tellement de masse dans un si petit espace que rien, pas même la lumière, ne peut échapper à leurs forces gravitationnelles. Bien qu’il existe des questions sans réponse sur les trous noirs de toutes tailles et de tous âges, les trous noirs supermassifs qui habitaient l’univers primitif sont particulièrement impénétrables.
Par exemple, on ne sait pas comment ces objets monstres sont devenus si gargantuesques – certains atteignant des masses un milliard de fois supérieures à celles du Soleil – si tôt dans la chronologie de l’univers. De plus, les scientifiques se demandent depuis longtemps ce qui a ralenti ces poussées de croissance précoces et guidé les trous noirs supermassifs vers un développement plus symbiotique avec leurs galaxies hôtes.
Maintenant, des scientifiques dirigés par Manuela Bischetti, chercheuse postdoctorale pour l’Institut national italien d’astrophysique à l’Observatoire astronomique de Trieste, ont fait la découverte inattendue que les vents extrêmement forts des premiers trous noirs supermassifs ont probablement ralenti leur croissance. Bischetti et ses collègues ont observé 30 quasars, des objets extrêmement lumineux souvent trouvés au centre des galaxies anciennes, et ont identifié ces vents comme une étape initiale de la “rétroaction des trous noirs”, un processus qui est au cœur du développement des galaxies modernes, y compris la nôtre. Milky Way, selon une étude publiée mercredi dans Nature.
“Ce résultat met en évidence pour la première fois que la rétroaction des trous noirs joue un rôle important dans la formation des premières phases de croissance des trous noirs et des galaxies, et que la force de la rétroaction des trous noirs peut évoluer avec le temps”, a déclaré Bischetti dans un e-mail. “Cela fournit des contraintes clés pour les modèles théoriques de l’évolution des galaxies.”
Des trous noirs supermassifs existent au centre de la plupart des galaxies ; par exemple, la Voie lactée contient un objet environ quatre millions de fois plus massif que le Soleil. Les scientifiques ont trouvé une corrélation étrangement spécifique entre les masses des trous noirs et leurs galaxies hôtes dans ce que l’on appelle l’univers à « bas redshift », qui est une autre façon de décrire l’univers moderne dans lequel nous vivons, où les ondes lumineuses ne sont pas aussi étirées dans les longueurs d’onde rouges comme une lumière plus ancienne de l’univers primitif à «décalage vers le rouge élevé». Les galaxies à faible décalage vers le rouge ont tendance à être environ 100 fois plus massives que leurs trous noirs centraux, un rapport si constant qu’il fait allusion à un processus de croissance symbiotique entre les trous noirs et leurs galaxies, dans lequel les structures stabilisent le développement de l’autre.
Cependant, comme l’a expliqué Bischetti, “ce n’est pas vrai pour l’univers à décalage vers le rouge élevé et pour les quasars de notre étude, pour lesquels nous observons que les trous noirs sont surmassifs (dix fois plus massifs) par rapport à leurs galaxies hôtes”.
“Cela implique que, pendant le premier milliard d’années de l’univers, les trous noirs ont dû croître plus rapidement que leurs galaxies hôtes”, a-t-elle ajouté.
Bischetti et ses collègues ont pu étudier ces brillants quasars avec “un rapport signal sur bruit élevé” en capturant 250 heures d’observations avec le spectrographe “X-shooter” du Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral au Chili, selon le étude. L’équipe espérait que le X-shooter fournirait un aperçu plus détaillé des vents, ou des écoulements, alimentés par ces premiers trous noirs supermassifs, qui déchirent les premières galaxies, influençant leur développement.
“Cette recherche a été motivée par le fait que, bien que les astronomes s’attendent à ce que les trous noirs affectent fortement l’évolution des galaxies lorsque l’univers avait environ un milliard d’années, il y a très peu d’observations de qualité suffisante pour soutenir ou rejeter cela”, a déclaré Bischetti. .
À leur grand étonnement, les chercheurs ont découvert que les vents des trous noirs dans l’univers primitif étaient extrêmement courants et environ 20 fois plus puissants que ceux de l’univers moderne. Certaines sorties dans leurs observations ont été projetées dans l’espace à 17% de la vitesse de la lumière, un processus qui redistribue l’énergie dans leurs galaxies hôtes et a probablement freiné la croissance précoce des trous noirs, déclenchant peut-être les rétroactions stables que nous voyons dans les galaxies aujourd’hui.
“Nous nous attendions à découvrir que les vents des trous noirs dans le jeune univers fonctionnent de la même manière que ce que nous observons à des époques ultérieures, dans l’univers plus proche de nous”, a-t-elle ajouté. “Au lieu de cela, nous avons été très surpris et excités par la grande quantité de vents très énergétiques que nous avons découverts, car ils indiquent une forte évolution de la rétroaction des trous noirs avec le temps.”
Alors que l’étude offre un regard convaincant sur cette transition majeure dans la relation entre les galaxies et leurs trous noirs centraux, Bischetti a déclaré qu’il faudra plus d’observations pour démêler plus de détails sur cette danse entre les géants cosmiques à la frontière de l’espace et du temps.
En fin de compte, les chercheurs espèrent utiliser des télescopes de nouvelle génération, y compris le télescope spatial James Webb récemment lancé et le prochain télescope extrêmement grand au Chili, pour zoomer sur l’influence des vents du trou noir sur les premières galaxies et leurs étoiles.
“Nous souhaitons maintenant poursuivre cette étude en comprenant si et comment les sorties de trous noirs observées affectent la croissance de la galaxie hôte”, a déclaré Bischetti, ajoutant que les télescopes actuels ne peuvent repérer que “la pointe la plus brillante de l’iceberg de la population de quasars à ces redshifts très élevés. »
“Nous nous attendons à ce que les objets intrinsèquement plus faibles présentent des propriétés différentes en termes de flux sortants par rapport à l’échantillon XQR-30” – en référence aux 30 quasars observés dans cette étude – “mais pour le moment, il est extrêmement difficile de tester cette hypothèse”, conclut-elle.