L'origine et la croissance des trous noirs supermassifs ne sont pas encore bien comprises. On savait cependant que dans l'immense majorité des cas, une relation de coévolution entre cette croissance et celle des galaxies massives existait. Le VLTI de l'ESO avec l'instrument Gravity+ en remontant plus loin dans le passé a permis de mesurer directement pour la première fois la masse d'un de ces trous noirs dans un territoire jusqu'ici inaccessible, et sa valeur à première vue ne colle pas avec ce que les modèles théoriques suggéraient.
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Pour déterminer la masse d'un corps céleste il est possible de la déduire du mouvement orbital d'un corps plus petit en orbite autour du premier. C'est ce que les prix Nobel de physique Andrea Ghez et Reinhard Genzel ont fait en mesurant pendant des décennies les mouvements d'étoiles en orbite rapprochée autour du trou noir supermassiftrou noir supermassif central de la Voie lactéeVoie lactée.
On peut jouer à ce même jeu avec des étoiles et des nuagesnuages de gazgaz autour des trous noirs géants au cœur des grandes galaxiesgalaxies, mais l'opération devient de plus en plus difficile si l'on veut sonder des stratesstrates de lumièrelumière de plus en plus anciennes du cosmoscosmos, et donc en observant des galaxies de plus en plus loin. Il faut un pouvoir de résolutionrésolution suffisant pour distinguer les étoiles et les nuages proches en orbite et mesurer leurs vitessesvitesses.
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Depuis plusieurs années, l'instrument Gravity de l'ESOESO permettait de combiner la lumière collectée par plusieurs des télescopestélescopes du VLT afin de constituer un télescope virtuel dont le diamètre pouvait atteindre jusqu'à 200 mètres. C'est la fameuse technique de synthèse d'ouverturesynthèse d'ouverture par interférométrieinterférométrie.
Une version améliorée de Gravity a été utilisée récemment par une équipe d'astronomesastronomes dirigée par l'Institut Max-PlanckPlanck de physique extraterrestre et incluant le laboratoire Lagrange (UCA-OCA-CNRS) de L'Observatoire de la Côte d'Azur et d'autres laboratoires français du CNRS. Elle a réalisé une première mesure directe de la masse d'un trou noir supermassif il y a 11 milliards d'années avec l'instrument Gravity+. Un record.
Même le James-Webb n'avait pas la résolution suffisante pour étudier des nuages de gaz en orbite autour du trou noir au centre de la galaxie SDSS J092034.17+065718.0. Il se manifeste également comme un quasarquasar et les données de Gravity+ indiquent que sa masse est d'environ 320 millions de masses solaires.
Le saviez-vous ?
En 1963, Maarten Schmidt et John Beverly Oke publiaient dans le journal Nature les résultats des observations qu’ils avaient réalisées en utilisant notamment la technique des occultations. Ils cherchaient à déterminer la contrepartie optique d’une source radio puissante découverte quelques années auparavant par un autre astronome, Allan Sandage. La source avait été baptisée 3C 273, ce qui veut dire qu’elle était le 273e objet du troisième catalogue de Cambridge recensant les sources radio.
L’article de Schmidt et Oke fut un coup de tonnerre dans le ciel de l’astrophysique et de la cosmologie. L’analyse spectrale de l’astre qu’ils avaient identifié dans le visible dans la constellation de la Vierge révélait des lignes d’émission de l’hydrogène fortement décalées vers le rouge. Cela signifiait que ce qui apparaissait comme une étoile se situait en dehors de la Voie lactée, mais surtout à une distance cosmologique. Pour être observable d’aussi loin, l’objet devait être d’une luminosité prodigieuse.
Cette découverte d’une quasi-stellar radio source, un quasar selon la dénomination proposée en 1964 par l’astrophysicien d’origine chinoise Hong-Yee Chiu, démontrait que l’Univers était différent dans le passé, et donc évoluait. Ceci n’était pas possible dans le cadre du modèle cosmologique standard de l’époque, selon lequel, bien qu’en expansion, l’Univers devait apparaître inchangé pour tous ses observateurs, quelle que soit leur position dans le temps. En revanche, l’existence de 3C 273 était en parfait accord avec la théorie du Big Bang, puisque celle-ci prévoyait que si l’on observait des objets à des distances suffisamment grandes, on remontait de plus en plus loin dans le passé et l’histoire d’un Univers en évolution. Il était donc normal d’observer à des milliards d’années-lumière un univers dont l’aspect diffère de celui qu'il avait il y a seulement quelques dizaines de millions d’années, donc dans l'environnement proche de la Voie lactée.
On sait aujourd’hui que le quasar 3C 273 est situé à 2,44 milliards d'années-lumière à l’intérieur d’une galaxie elliptique géante.
C'est un problème et il questionne notre compréhension de la croissance des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs dans l'UniversUnivers jeune.
On avait déjà été surpris par l'existence de trous noirs supermassifs plus tôt qu'imaginé à ce moment-là mais le problème aujourd'hui avec J0920, c'est que son trou noir est environ quatre fois moins massif que prévu compte tenu de la masse de sa galaxie hôte, environ 60 milliards de masses solaires.
Ce résultat brise une relation de proportionnalité entre la masse d'un trou noir supermassif et celle de la galaxie l'hébergeant et que l'on sait être à peu près constante pour toutes les galaxies observées plus tard dans l'histoire de l'Univers observable. C'est ce qui indiquait une coévolution entre la masse de ces trous noirs géants et celle des galaxies hôtes. Dans le cas présent, cela semble donc indiquer un retard dans la croissance du trou noir par rapport à la galaxie qui l'entoure. Pourquoi ?
Dans le communiqué de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre accompagnant l'article de Nature consacré à cette découverte en plein pic de croissance des grandes structures de l'Univers, appelé le « midi cosmique » (Cosmic Noon), et dont une version en accès libre existe sur arXiv, l'astrophysicienastrophysicien Jinyi Shangguan esquisse une réponse possible :
« Le scénario probable pour l'évolution de cette galaxie semble être une forte rétroactionrétroaction des supernovassupernovas, où ces explosions stellaires expulsent le gaz des régions centrales avant qu'il ne puisse atteindre le trou noir au centre galactiquecentre galactique. Le trou noir ne pourra commencer à croître rapidement - et à rattraper la croissance globale de la galaxie - que lorsque la galaxie sera devenue suffisamment massive pour retenir un réservoir de gaz dans ses régions centrales, même contre l'action d'une supernova. »
Mais cela reste à démontrer et il faut savoir à quel point ce scénario est un important mode dominant de coévolution pour d'autres galaxies et leurs trous noirs centraux. Gravity+ est encore en cours d'amélioration pour l'interféromètreinterféromètre du Very Large TelescopeVery Large Telescope (VLTI) de l'ESO. À terme, la même méthode d'observation dans l'infrarougeinfrarouge pourra donner directement les masses de nombreux trous noirs supermassifs au cœur de centaines de galaxies lointaines et de préciser nos idées et modèles sur la coévolution des trous noirs et des galaxies pendant une large partie de l'histoire du cosmos.
« Les trous noirs supermassifs trop gloutons. » Toutes les galaxies abritent en leur centre un trou noir supermassif, de masse comprise entre un million et quelques milliards de masses solaires. Il existe un rapport de proportionnalité entre la masse de ces trous noirs et la masse du bulbe des galaxies, ce qui fait penser que la formation des étoiles et l’alimentation des trous noirs se produisent simultanément. En quelque sorte, les galaxies et leurs trous noirs croissent en symbiose. Lorsque du gaz tombe vers le centre de la galaxie, le trou noir en avale le plus possible, mais la masse qu’il peut absorber est limitée. La chute de matière sur le trou noir libère une quantité considérable d’énergie, sous forme de rayonnement, et aussi sous forme d’énergie cinétique. Le noyau de la galaxie devient actif, soit un noyau de Seyfert, soit un quasar. Les vents et jets de plasma émis par le trou noir entraînent le gaz interstellaire environnant. Des flots de gaz moléculaire ont récemment été détectés autour des noyaux actifs, emportant tellement de masse qu’ils peuvent avoir un impact significatif sur l’évolution de la galaxie hôte, en régulant ou stoppant même l’approvisionnement en gaz pour la formation des étoiles. Les trous noirs gloutons, en recrachant leur nourriture, régulent la formation des étoiles. Nous détaillerons ces phénomènes, peut-être à l’origine de la proportionnalité entre masses des trous noirs et des bulbes. Françoise Combes est astronome à l'Observatoire de Paris au Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (Lerma). Son domaine actuel de recherche concerne la formation et l’évolution des galaxies. © École normale supérieure - PSL
