formation des trous noirs supermassifs

Dans le nuage dense de gaz et de poussière où naissent les étoiles massives, deux jeunes étoiles se sont récemment frôlées de très près. Leur danse ne dure qu'une soixantaine d'années, et pour la première fois, les astronomes en ont observé les détails.

Un recensement de la population par forme du corps : c'est ainsi que l'on peut décrire ce que les astronomes ont fait avec 6348 galaxies massives. Au lieu de la taille et du poids, ils ont mesuré à quel point la lumière est concentrée vers le centre, à quel point la galaxie est aplatie et à quel point sa forme est asymétrique.

Au cœur des nuages moléculaires se cachent des amplificateurs naturels : les masers cosmiques. Ils fonctionnent comme des lasers, mais dans le domaine radio : des molécules excitées émettent ensemble des ondes de même fréquence, créant un faisceau lumineux intense.

Un marathon de 13 milliards d'années a commencé avec des poids différents. Cent masses solaires, c'est plus léger qu'un nuage de gaz. Cent mille, c'est la domination gravitationnelle, comparable à un éléphant parmi des chatons. C'est ainsi que se présentaient les graines de trous noirs qui, à notre époque, devaient se transformer en géants supermassifs.

Huit cents millions d'années après le Big Bang — et au cœur d'une jeune galaxie bat déjà un moteur monstrueux. Un trou noir d'une masse de dix milliards de soleils dévore la matière si avidement que son rayonnement devrait éclipser tout alentour. Mais dehors, silence.

Le télescope « James Webb » a plongé son regard dans une époque où l'Univers avait moins d'un milliard d'années et y a aperçu d'étranges objets — des « petits points rouges ». Ce sont des trous noirs de la masse de millions de soleils, mais nichés dans des galaxies très compactes et chimiquement presque intactes.

Les étoiles massives sont des titans cosmiques dont la vie se déroule sous le signe d'une énergie indomptable. Lorsqu'une telle étoile entre dans la phase de supergéante B[e], son rayonnement est si puissant qu'il semblerait capable de pulvériser toute molécule en atomes.

L'Univers primordial, à décalage vers le rouge z>7, était le théâtre d'une croissance effrénée : des trous noirs atteignant un milliard de masses solaires brillaient déjà comme des quasars, engloutissant le gaz à une vitesse prodigieuse. Comment ces géants ont-ils pu grandir en si peu de temps ?

Les galaxies lenticulaires sont les « discrètes » du cosmos : elles ont un disque, mais pas de bras spiraux brillants. Leur origine est restée longtemps mystérieuse. Une équipe de scientifiques a lancé la simulation informatique Hydrangea et a suivi le destin de chaque galaxie, de sa jeunesse à nos jours.

Au cœur de presque chaque grande galaxie brille un noyau actif — un trou noir supermassif entouré d'un disque plat en rotation de gaz incandescent. Ce disque scintille déjà par lui-même, mais les astrophysiciens ont suspecté qu'un essaim entier de petits trous noirs de masse stellaire se cache à l'intérieur.

Comme un projecteur : de profil, il émet une lumière rouge terne, mais de face, il éblouit en blanc-bleu. C'est exactement ce que sont les mystérieux « petits points rouges » de l'univers primordial : des trous noirs géants tournés vers nous de profil.

Dans l'Univers primordial, de minuscules trous noirs ont pu naître — avec la masse d'une montagne, mais la taille d'un noyau atomique. Aujourd'hui, ils pourraient servir d'usines à matière noire.

Un champ semé de graines. Certaines sont grosses et germent à la moindre pluie, d'autres sont capricieuses et exigent un sol particulier et des conditions rares. De quelles graines la terre est ensemencée dépend la forêt qui poussera dans des millions d'années. C'est à peu près ainsi que les astrophysiciens envisagent la naissance des trous noirs dans l'Univers primordial.

L'Univers est plein d'invisible. Nous connaissons la matière noire par la rotation des galaxies et les lentilles gravitationnelles, mais sa nature nous échappe depuis un siècle.

Héritier des idées de Edwin Hubble, le télescope spatial James Webb a plongé dans une époque où l'expansion de l'univers commençait à peine à prendre de la vitesse. À des redshifts z>4, il a détecté d'étranges objets — les « Petits points rouges » (LRD).

Le halo stellaire de la Voie lactée est un palimpseste galactique : un manuscrit ancien où, sous le texte visible, se cachent des couches plus anciennes. On a longtemps pensé que la structure Gaïa-Saucisse/Encelade (GSE) était la dernière inscription de ce manuscrit, la trace d'une seule fusion cataclysmique.

L'expansion de l'univers, découverte par Edwin Hubble, nous a offert une image du cosmos jeune, mais aussi des questions épineuses.

Le télescope spatial James Webb a repéré dans les profondeurs du cosmos des objets étonnants : de petits points rouges qui brillent si intensément qu'on dirait un projecteur caché dans une ampoule minuscule.

Quelques centaines de millions d'années à peine après le Big Bang, des trous noirs géants se formaient déjà dans l'océan de matière noire invisible. Ils naissaient directement de cette matière, sans l'aide d'étoiles.

Les paires de trous noirs dansent de trois façons différentes avant de fusionner. La première est une valse élégante : les objets tournent dans le même sens, comme des partenaires qui se regardent. Ces paires naissent d'étoiles binaires et ont souvent des masses inégales.

Dans l'espace, on rencontre souvent des paires de trous noirs en fusion où l'un est nettement plus massif que l'autre. Cette différence de poids n'est pas qu'un simple chiffre : c'est une clé pour comprendre leur histoire commune.

Jetez une pierre dans un étang — des cercles se propagent à la surface. Le cercle le plus visible est né de l'onde la plus forte. C'est à peu près ainsi que les physiciens imaginent la croissance des perturbations autour d'un trou noir : si le système présente une instabilité, sa composante la plus « bruyante » — celle qui croît le plus rapidement…

Autour de notre Galaxie, telle une couronne invisible, s'étend un nuage de gaz ténu, chauffé à des millions de degrés. On l'appelle le halo galactique. Voir cette lueur directement est difficile : elle émet des rayons X mous, absorbés par l'atmosphère terrestre.

Une étoile pesant cent mille soleils vit de manière brillante mais brève. Sa fin est une contraction rapide en trou noir. Mais juste avant la fin, elle parvient à s'envelopper d'un cocon gazeux dense.

Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisine géante où les premières galaxies se formaient à partir d'une « pâte » primordiale d'hydrogène et d'hélium.

Un puits sans fond — mais pas tout à fait. Un trou noir ordinaire possède une frontière, l'horizon des événements, au-delà de laquelle rien ne revient. Et si on retirait cette frontière ?

À la périphérie de la Voie lactée, il existe des étoiles qui se déplacent à contre-courant du flux général, comme des voitures roulant sur la voie opposée. On pensait auparavant qu'elles étaient toutes les restes d'une seule galaxie naine que notre Galaxie avait déchirée et absorbée. Mais une nouvelle étude montre que ces galaxies « à contre-courant » étaient plusieurs.

Lancez deux cailloux identiques du sommet d'une montagne : si l'un atterrit un centimètre plus à gauche, au bout d'une minute ils se retrouveront dans des vallées différentes. La galaxie est comme cette montagne, mais avec des milliards de cailloux et une pente qui s'étire sur des millions d'années.

À la périphérie de notre Galaxie, bien au-delà du disque d'étoiles familier, le télescope Subaru a aperçu quelque chose d'inattendu : un nuage d'étoiles dispersé, s'étendant sur une surface de cent degrés carrés dans le ciel.

Au centre de la galaxie PDS 456 brille un quasar — un trou noir qui dévore du gaz, émettant une lumière plus brillante que des centaines de milliards d'étoiles. Le télescope à rayons X XRISM a scruté cette lumière et y a vu une palissade de bandes sombres, semblables à l'ombre d'une clôture en bois au coucher du soleil.

Au télescope, on voit une galaxie qui ressemble à une immense toupie lumineuse. Son disque s'étend sur trente mille années-lumière — un tiers du diamètre de notre Voie lactée. Mais le plus surprenant : cette toupie existait déjà deux milliards d'années après la naissance de l'univers.

L'eau dans une bouilloire, tant qu'elle bout, se divise nettement en liquide et en vapeur. Mais sous une pression énorme, la frontière disparaît : la matière passe à l'état supercritique — ni l'un ni l'autre, mais quelque chose d'intermédiaire. Les trous noirs en sont capables aussi.

Le télescope spatial James Webb a aperçu d'anciennes galaxies abritant des trous noirs démesurés — trop massifs pour un âge si tendre après le Big Bang. Pour une croissance normale, le temps aurait manqué, donc ils se sont formés autrement.

La lumière d'un quasar lointain — le noyau brillant d'une galaxie — passe près d'une galaxie massive et se courbe, comme le faisceau d'une lampe de poche à travers un verre irrégulier. Si la lentille et la source sont presque parfaitement alignées, on observe non pas un seul quasar, mais plusieurs images de celui-ci.

Le télescope James Webb a détecté des trous noirs — c'est ainsi que les a nommés John Wheeler, tandis que Karl Schwarzschild les décrivait comme des pièges à lumière — qui, dès 500 millions d'années après le Big Bang, pesaient plus lourd que des…

Le télescope spatial James Webb a repéré, dans l'Univers primordial, de minuscules objets rouges anormalement brillants. Leur lumière dépasse de plusieurs centaines de fois ce que l'on attendrait de galaxies ordinaires de cette époque.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

Le ciel nocturne semble immobile, mais parfois une étoile se met soudain à s'embraser. C'est ce qui est arrivé au système AT 2019wey : il a été repéré par le télescope TESS, qui cherche habituellement des planètes autour d'autres étoiles, mais qui, par hasard, photographiait la bonne région du ciel toutes les demi-heures.

Au cœur même de la Voie lactée, derrière un épais rideau de poussière, se cache un gigantesque amas de gaz : la zone moléculaire centrale. On ne peut pas la voir à l'œil nu : la poussière absorbe la lumière visible, comme un brouillard épais masque les lumières d'une ville.

La croissance d'une galaxie ressemble à une danse entre deux partenaires : au centre de presque chaque grande galaxie se trouve un trou noir supermassif, et ils grandissent ensemble. Mais qui mène la danse ?