Les télescopes de la NASA découvrent un trou noir qui bat son record
Cette image contient le trou noir le plus éloigné jamais détecté dans les rayons X, un résultat qui peut expliquer comment certains des premiers trous noirs supermassifs de l'univers se sont formés. Comme nous le rendons compte dans notre communiqué de presse, cette découverte a été faite à l'aide de rayons X de l'Observatoire de rayons X Chandra de la NASA (pourpre) et de données infrarouges du télescope spatial James Webb de la NASA (rouge, vert, bleu). Le trou noir extrêmement éloigné est situé dans la galaxie UH-1 en direction de l'amas de galaxies Abell 2744. L'amas de galaxies est d'environ 3,5 milliards d'années-lumière de la Terre. Les données Webb, cependant, révèlent que UH-1 est beaucoup plus éloigné qu'Abell 2744. À quelque 13,2 milliards d'années-lumière, l'UH-1 est observé alors que l'univers n'était que de 3 % de son âge actuel. Crédit : Chandra X-ray Center
Les astronomes ont découvert le trou noir le plus éloigné jamais vu dans les rayons X, en utilisant des télescopes de la NASA. Le trou noir est à un stade précoce de croissance qui n'avait jamais été observé auparavant, où sa masse est similaire à celle de sa galaxie hôte.
Ce résultat peut expliquer comment certains des premiers trous noirs supermassifs de l'univers se sont formés.
En combinant des 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 quelques 470 millions d'années seulement après le big bang.
"Nous avions besoin de Webb pour trouver cette galaxie remarquablement lointaine et Chandra pour trouver son trou noir supermassif", a déclaré Akos Bogdan du Center for Astrophysics - Harvard and Smithsonian (CfA) qui dirige un nouvel article disponible sur le serveur pré-impression arXiv et devrait être publié dans la revue Nature Astrony décrivant ces résultats. «Nous avons également profité d'une loupe cosmique qui a augmenté la quantité de lumière que nous avons détectée.» Cet effet loupant est connu sous le nom de lentille gravitationnelle.
Bogdan et son équipe ont trouvé le trou noir dans une galaxie nommée UH-1 en direction de l'amas de galaxies Abell 2744, situé à 3,5 milliards d'années-lumière de la Terre. Les données Webb, cependant, ont révélé que la galaxie est beaucoup plus éloignée que le cluster, à 13,2 milliards d'années-lumière de la Terre, alors que l'univers n'avait que 3% de son âge actuel.
Puis, plus de deux semaines d'observations avec Chandra ont montré la présence de gaz X ultra-échauffés intenses dans cette galaxie, une marque de fabrique pour un trou noir supermassif en croissance. La lumière de la galaxie et les rayons X du gaz autour de son trou noir supermassif sont agrandis par environ un facteur de quatre par la matière intermédiaire 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.
Formation d'un trou noir de graines lourdes provenant d'un effondrement direct d'un nuage massif de gaz (création: NASA/STScI/Leah Hustak)
Cette découverte est importante pour comprendre comment certains trous noirs supermassifs peuvent atteindre des masses colossales peu après le big bang. Est-ce qu'ils se forment directement à partir de l'effondrement de nuages de gaz massifs, créant des trous noirs pesant entre environ 10 000 et 100 000 soleils ? Ou viennent-ils des explosions des premières étoiles qui créent des trous noirs ne pesant qu'entre 10 et 100 soleils?
"Il y a des limites physiques sur la vitesse à laquelle les trous noirs peuvent se développer une fois qu'ils se sont formés, mais ceux qui naissent plus massifs ont une longueur d'avance. C'est comme planter un jeune enfant, qui prend moins de temps pour devenir un arbre de grande taille que si vous n'avez commencé qu'avec une graine », a déclaré Andy Goulding de l'Université de Princeton. Goulding est co-auteur du document Nature Astronomy et auteur principal d'un nouvel article dans The Astrophysical Journal Letters qui rapporte la distance et la masse de la galaxie en utilisant un spectre de Webb.
L'équipe de Bogdan a trouvé des preuves solides que le trou noir nouvellement découvert est né massif. Sa masse est estimée entre 10 et 100 millions de soleils, en fonction de la brillance et de l'énergie des rayons X. Cette gamme de masses est similaire à celle de toutes les étoiles de la galaxie où elle vit, ce qui contraste fortement avec les trous noirs dans les centres des galaxies de l'univers voisin qui ne contiennent généralement qu'environ un dixième de la masse des étoiles de leur galaxie hôte.
La grande masse du trou noir à un jeune âge, plus la quantité de rayons X qu'il produit et la brillance de la galaxie détectée par Webb, sont toutes d'accord avec les prédictions théoriques en 2017 par le co-auteur Priyamvada Natarajan de l'Université Yale pour un « trou noir de taille » 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 'Outsize Black Hole' et des meilleures preuves obtenues jusqu'à présent que certains trous noirs se forment à partir de nuages massifs de gaz", a déclaré Natarajan. "Pour la première fois, nous voyons une brève étape où un trou noir supermassif pèse à peu près autant que les étoiles dans sa galaxie, avant qu'il ne se trouve derrière."
Les chercheurs prévoient d'utiliser ce résultat et d'autres résultats provenant de Webb et ceux combinant des données provenant d'autres télescopes pour compléter une image plus grande de l'univers primitif.
Crédit : Chandra X-ray Center
Le télescope spatial Hubble de la NASA a précédemment montré que la lumière des galaxies lointaines est fortement amplifiée par la matière dans l'amas de galaxies intervenant, fournissant une partie de la motivation des observations Webb et Chandra décrites ici.
L'article décrivant les résultats de l'équipe de Bogdan apparaît dans Nature Astrony, et une préimpression est disponible en ligne. Outre ceux énumérés ci-dessus, les auteurs sont Orsolya Kovacs (Université de Masaryk, République tchèque), Grant Tremblay (CfA), Urmila Chadayammuri (CfA), Marta Volonteri (Institut d'Astrophysique de Paris, France), Ralph Kraft (CfA), William Forman (CfA), Chrisine Jones (CfA), Eugene Churazov (Cf.Chicago).
Les données Webb utilisées dans les deux articles font partie d'une enquête appelée Ultradeep Nirspec et nirCam ObserVations avant l'Époche de la Réonisation (UNCOVER). Le journal dirigé par Andy Goulding, membre de l'équipe d'UNCOVER, est publié dans les lettres du Astrophysical Journal. Les co-auteurs comprennent d'autres membres de l'équipe UNCOVER, ainsi que Bogdan et Natarajan. Un document d'interprétation détaillé qui compare les propriétés observées de UH-1 avec des modèles théoriques pour Outsize Black Hole Galaxies est disponible.
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