QSO1 | Former un trou noir sans étoiles ?

Alors que le James Webb Space Telescope s’est illustré par ses observations des atmosphères exoplanétaires et du système solaire, sa spécialité reste l’étude des galaxies. Envoyé à 1,5 million de kilomètres de la Terre en 2021, ce télescope spatial de 6,5 mètres de diamètre observe l’univers dans l’infrarouge. La taille de son miroir et la précision de ses instruments en font un atout inestimable à l’observatoire de l’univers lointain. Sa fonction principale est notamment d’étudier la formation des premières galaxies, alors que l’univers n’était âgé que de quelques milliards d’années. C’est ainsi qu’une équipe de l’université de Cambridge a réussi à mesurer la masse d’un trou noir formé seulement 700 millions d’années après le Big Bang. Cette découverte pourrait être la première observation d’un trou noir formé sans l’effondrement d’une étoile massive.

L’origine des trous noirs

Théorisé dès le début du XXᵉ siècle par Albert Einstein, la première observation indirecte d’un trou noir date de 1971. En effet, ces derniers sont des astres tellement denses que leur gravité empêche toute particule de s’en échapper, y compris la lumière. Ils sont ainsi totalement noirs et donc invisibles. Pour les observer, il faut donc plutôt se concentrer sur la matière qui orbite autour. Il est notamment possible d’observer des étoiles ou de la matière (poussière ou gaz) très chaude tournant autour d’un objet invisible. De nos jours, il est possible d’observer directement la présence d’un trou noir grâce aux ondes gravitationnelles qu’il émet en fusionnant avec un autre objet massif, comme un autre trou noir.

Il existe deux grandes catégories de trous noirs. Les trous noirs stellaires, avec une masse théorique comprise entre 3 et 14 fois la masse du Soleil, se forment suite à l’effondrement d’une étoile massive. En effet, lorsqu’une étoile au moins trois fois plus massive que le Soleil n’est plus capable d’entretenir un processus de fusion nucléaire assez important pour résister à la gravité, elle s’effondre sur elle-même. La partie externe va alors « rebondir » sur le cœur de l’étoile, composé majoritairement de fer, et exploser en une supernova. Cette réaction va tellement compresser le cœur qu’il ne mesurera plus que quelques kilomètres, pour une masse supérieure à celle du Soleil. La gravité est alors si importante qu’aucune particule ne peut quitter l’astre. Un trou noir est né.

L’autre catégorie correspond aux trous noirs supermassifs. Ces objets, de plusieurs millions, voire milliards, de masses solaires, se trouvent généralement au cœur des galaxies. Aucune étoile connue n’étant assez massive pour former de tels objets, leur origine est encore mal comprise. La théorie principale voudrait que ces objets se forment suite à la fusion de millions de trous noirs stellaires. Au cœur des galaxies, on trouve des étoiles très massives avec de courtes durées de vie (quelques millions d’années). Lors de la formation des premières galaxies, ces étoiles auraient ainsi pu former très rapidement des trous noirs stellaires qui auraient fusionné pour former des objets beaucoup plus massifs. Ces trous noirs auraient ensuite continué à accréter de la matière pour devenir les objets supermassifs observés aujourd’hui.

Image du trou noir Sagittarius A* situé au centre de la Voie Lactée. Cette image a été créée en combinant des données obtenues avec huit radiotélescopes à travers la Terre. La matière brillante correspond au gaz et aux poussières tombant dans le trou noir. ©EHT Collaboration

Des trous noirs primordiaux ?

En remontant aux deux premiers milliards d’années de l’univers, les astronomes ont découvert des sortes de galaxies ultracompactes. Émettant principalement de la lumière rouge et infrarouge, ces objets apparaissent comme de petits points rouges. La communauté scientifique leur a ainsi donné le nom de « Little Red Point » (LRP). Ces objets seraient des noyaux galactiques primaires abritant en leur centre un trou noir supermassif.

L’un des LRP les plus étudiés s’appelle Abell 2744-QSO1, ou simplement QSO1. Situé à plus de 13 milliards d’années-lumière, ce LRP se serait formé seulement 700 millions d’années après le Big Bang. Pour rappel, l’une des théories principales de la formation de notre univers veut que l’espace, jusqu’alors extrêmement dense et chaud, ait commencé à se dilater très rapidement il y a environ 13,8 milliards d’années. La matière se serait alors refroidie et les protons et les électrons se seraient assemblés pour former les premiers atomes d’hydrogène. Ce gaz d’hydrogène s’est ensuite rassemblé en nuages plus denses par effet de la gravité. Ce phénomène donna ainsi naissance aux premières galaxies et aux premières étoiles.

En observant ses premières galaxies avec le JWST, une problématique est apparue liée aux premiers trous noirs supermassifs. En effet, ceux situés au cœur des LRP semblent être aussi, voire plus massifs que leurs galaxies hôtes. De plus, ces jeunes galaxies paraissent extrêmement pauvres en étoiles. Ces trous noirs ne peuvent donc pas provenir de la fusion de trous noirs stellaires. Ils se seraient plutôt formés directement sans passer par le stade stellaire.

*Image de QSO1 prise par le JWST. L’objet apparaît en triple à cause de la déformation de l’espace par l’amas Abell 2744 situé au premier plan. © NASA, ESA, CSA*

QSO1, un cas d’étude parfait

QSO1 est très intéressant à observer car sa lumière est déviée et amplifiée par un amas de galaxies. Ainsi, malgré sa faible taille de 1 300 années-lumière de diamètre, il est observable par le JWST. Pour comparaison, la Voie Lactée mesure plus de 100 000 années-lumière. Pour comprendre l’origine du trou noir au centre de QSO1, une étude de 2026, menée par Ignas Juodzbalis, a tenté de mesurer précisément sa masse à partir de la rotation de la galaxie. En effet, la rotation du gaz de QSO1 suit les lois de Kepler. Il est donc possible de déterminer la masse de l’objet central en mesurant la vitesse de rotation du gaz. Cette même méthode peut être utilisée pour mesurer la masse du Soleil à partir de la rotation des planètes du système solaire.

L’équipe a ainsi trouvé une masse d’environ 50⁺⁵⁰_-25 millions de fois la masse du Soleil. Cela correspondrait à plus de deux fois la masse de la galaxie hôte. Il s’agit ici de la première mesure directe de la masse d’un trou noir au cœur d’un LRP. Les précédentes mesures provenaient uniquement de modèles. Par ailleurs, cette mesure est cohérente avec celles obtenues avec les modèles.

De plus, leurs observations ont confirmé que le gaz autour du trou noir est composé presque exclusivement d’hydrogène et d’hélium. Un résultat qui fut observé en parallèle par une étude menée par Roberto Maiolino. Il s’agit donc bien d’une galaxie très jeune et pauvre en étoiles. En effet, les étoiles massives vont rapidement produire des atomes plus lourds et exploser en dispersant ces atomes dans la galaxie. Ces résultats sont en accord avec une origine non stellaire du trou noir de QSO1. Ce dernier pourrait donc s’être formé directement suite à l’effondrement d’un nuage de gaz. Il serait ainsi au début de sa phase d’accrétion. Cette étude appuie ainsi la théorie voulant que certains trous noirs seraient antérieurs à leur galaxie, qui se formerait autour d’eux.