Au cours des dernières décennies, les astronomes ont pu regarder plus loin dans l'Univers (et aussi dans le temps), presque jusqu'au tout début de l'Univers. Ce faisant, ils ont beaucoup appris sur certaines des premières galaxies de l'Univers et sur leur évolution ultérieure. Cependant, il y a encore des choses qui sont encore hors limites, comme lorsque des galaxies avec des trous noirs supermassifs (SMBH) et des jets massifs sont apparus pour la première fois.
Selon des études récentes de l'International School for Advanced Studies (SISSA) et une équipe d'astronomes du Japon et de Taïwan fournissent de nouvelles informations sur la façon dont les trous noirs supermassifs ont commencé à se former à peine 800 millions d'années après le Big Bang, et les jets relativistes de moins de 2 milliards d'années après. Ces résultats font partie d'un cas croissant qui montre comment des objets massifs dans notre univers se sont formés plus tôt que nous ne le pensions.
Les astronomes connaissent les SMBH depuis plus d'un demi-siècle. Avec le temps, ils ont réalisé que la plupart des galaxies massives (y compris la Voie Lactée) les ont au cœur. Le rôle qu'ils jouent dans l'évolution des galaxies a également fait l'objet d'études, les astronomes modernes concluant qu'ils sont directement liés au taux de formation des étoiles dans les galaxies.
De même, les astronomes ont découvert que les SMBH ont des disques d'accrétion serrés autour d'eux où le gaz et la poussière sont accélérés pour se rapprocher de la vitesse de la lumière. Cela fait que le centre de certaines galaxies devient si brillant - ce que l'on appelle les noyaux galactiques actifs (AGN) - qu'ils éclipsent les étoiles de leurs disques. Dans certains cas, ces disques d'accrétion entraînent également des jets de matière chaude qui peuvent être vus à des milliards d'années-lumière de distance.
Selon les modèles conventionnels, les galaxies n'avaient pas assez de temps pour développer des trous noirs centraux lorsque l'Univers avait moins d'un milliard d'années (il y a environ 13 milliards d'années). Cependant, des observations récentes ont montré que des trous noirs se formaient déjà au centre des galaxies à l'époque. Pour y remédier, une équipe de scientifiques du SISSA a proposé un nouveau modèle qui offre une explication possible.
Pour leur étude, dirigée par Lumen Boco - un Ph.D. étudiant de l'Institut de physique fondamentale de l'Univers (IFPU) - l'équipe a commencé avec le fait bien connu que les SMBH se développent dans les régions centrales des premières galaxies. Ces objets, ancêtres des galaxies elliptiques d'aujourd'hui, avaient une très forte concentration de gaz et un taux extrêmement intense de formation de nouvelles étoiles.
Les premières générations d'étoiles dans ces galaxies ont été de courte durée et ont rapidement évolué en trous noirs qui étaient relativement petits, mais en nombre important. Le gaz dense qui les entourait a entraîné une friction dynamique importante et les a fait migrer rapidement vers le centre de la galaxie. C'est là qu'ils ont fusionné pour créer les graines de trous noirs supermassifs - qui ont lentement grandi avec le temps.
Comme l'équipe de recherche l'a expliqué dans un récent communiqué de presse SISS:
«Selon les théories classiques, un trou noir supermassif se développe au centre d'une galaxie capturant la matière environnante, principalement du gaz, la« faisant croître »sur elle-même et finalement la dévorant à un rythme proportionnel à sa masse. Pour cette raison, lors des phases initiales de son développement, lorsque la masse du trou noir est petite, la croissance est très lente. Dans la mesure où, selon les calculs, pour atteindre la masse observée, des milliards de fois celle du Soleil, un temps très long serait nécessaire, voire supérieur à l'âge du jeune Univers. »
Cependant, le modèle mathématique original qu'ils ont développé a montré que le processus de formation des trous noirs centraux pouvait être très rapide dans ses phases initiales. Cela offre non seulement une explication de l'existence de graines SMBH dans le premier univers, mais concilie également le moment de leur croissance avec l'âge connu de l'univers.
En bref, leur étude a montré que le processus de migration et de fusion des premiers trous noirs peut conduire à la création d'une graine SMBH de 10 000 à 100 000 masses solaires en seulement 50-100 millions d'années. Comme l'équipe l'a expliqué:
«[L] a croissance du trou noir central selon l'accumulation directe de gaz susmentionnée, envisagée par la théorie standard, deviendra très rapide, car la quantité de gaz qu'il réussira à attirer et à absorber deviendra immense et prédominante sur le processus que nous proposons. Néanmoins, précisément le fait de partir d'une graine aussi grande que celle envisagée par notre mécanisme accélère la croissance globale du trou noir supermassif et permet sa formation, également dans le Jeune Univers. En bref, à la lumière de cette théorie, nous pouvons affirmer que 800 millions d'années après le Big Bang, les trous noirs supermassifs pourraient déjà peupler le Cosmos. »
En plus de proposer un modèle de travail pour les graines SMBH observées, l'équipe a également suggéré une méthode pour le tester. D'une part, il y a les ondes gravitationnelles que ces fusions provoqueraient, qui pourraient être identifiées à l'aide de détecteurs d'ondes gravitationnelles comme Advanced LIGO / Virgo et caractérisées par le futur télescope Einstein.
En outre, les phases de développement ultérieures des SMBH pourraient être étudiées par des missions comme l'antenne spatiale de l'interféromètre laser (LISA) de l'ESA, qui devrait être lancée vers 2034. Dans le même ordre d'idées, une autre équipe d'astronomes a récemment utilisé l'Atacama Grand réseau millimétrique / submillimétrique (ALMA) pour répondre à un autre mystère sur les galaxies, c'est pourquoi certains ont des jets et d'autres pas.
Ces flux rapides de matière ionisée, qui se déplacent à des vitesses relativistes (une fraction de la vitesse de la lumière), ont été observés émanant du centre de certaines galaxies. Ces jets ont été liés au taux de formation d'étoiles d'une galaxie en raison de la façon dont ils expulsent la matière qui autrement s'effondrerait pour former de nouvelles étoiles. En d'autres termes, ces jets jouent un rôle dans l'évolution des galaxies, tout comme les SMBH.
Pour cette raison, les astronomes ont cherché à en savoir plus sur l'interaction des jets de trous noirs et des nuages gazeux au fil du temps. Malheureusement, il a été difficile d'observer ce type d'interactions au début de l'Univers. À l'aide du réseau Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), une équipe d'astronomes a réussi à obtenir la première image résolue de nuages gazeux perturbés provenant d'un quasar très éloigné.
L'étude qui décrit leurs résultats, dirigée par le professeur Kaiki Taro Inoue de l'Université de Kindai, a récemment été publiée dans le Astrophysical Journal Letters. Comme Inoue et ses collègues l'ont expliqué, les données ALMA ont révélé de jeunes jets bipolaires émanant de MG J0414 + 0534, un quasar situé à environ 11 milliards d'années-lumière de la Terre. Ces résultats montrent que les galaxies avec SMBH et jets existaient lorsque le Big Bang avait moins de 3 milliards d'années.
En plus de l'ALMA, l'équipe s'est appuyée sur une technique connue sous le nom de lentille gravitationnelle, où la gravité d'une galaxie intermédiaire magnifie la lumière provenant d'un objet distant. Grâce à ce «télescope cosmique» et à la haute résolution d'ALMA, l'équipe a pu observer les nuages gazeux perturbés autour de MG J0414 + 0534 et déterminer qu'ils étaient causés par de jeunes jets émanant d'une SMBH au centre de la galaxie.
Comme Kouichiro Nakanishi, professeur agrégé de projet à l'Observatoire national d'astronomie du Japon / SOKENDAI, l'a expliqué dans un communiqué de presse d'ALMA:
«En combinant ce télescope cosmique et les observations à haute résolution d'ALMA, nous avons obtenu une vision exceptionnellement nette, soit 9 000 fois meilleure que la vue humaine. Avec cette résolution extrêmement élevée, nous avons pu obtenir la distribution et le mouvement des nuages gazeux autour des jets éjectés d'un trou noir supermassif. »
Ces observations ont également montré que le gaz était impacté là où il suivait la direction des jets, provoquant des mouvements violents des particules et une accélération jusqu'à des vitesses allant jusqu'à 600 km / s (370 mps). De plus, ces nuages de gaz impactés et les jets eux-mêmes étaient beaucoup plus petits que la taille d'une galaxie typique à cet âge.
À partir de cela, l'équipe a conclu qu'ils assistaient à une phase très précoce de l'évolution du jet dans la galaxie MG J0414 + 0534. Si elles sont vraies, ces observations ont permis à l'équipe d'assister à un processus évolutif clé dans les galaxies au début de l'Univers. Comme l'a résumé Inoue:
«MG J0414 + 0534 est un excellent exemple en raison de la jeunesse des jets. Nous avons trouvé des preuves révélatrices d'une interaction significative entre les jets et les nuages gazeux, même au tout début de la phase d'évolution des jets. Je pense que notre découverte ouvrira la voie à une meilleure compréhension du processus évolutif des galaxies dans l'Univers primitif. »
Ensemble, ces études démontrent que deux des phénomènes astronomiques les plus puissants de l'Univers sont apparus plus tôt que prévu. Cette découverte offre également aux astronomes l'occasion d'explorer comment ces phénomènes ont évolué au fil du temps et le rôle qu'ils ont joué dans l'évolution de l'Univers.
