Quand l'univers était jeune, un trou noir supermassif – gonflé au point d'éclater avec une puissance prodigieuse – a projeté un jet d'énergie infusée de particules qui a traversé l'immensité de l'espace à presque la vitesse de la lumière.

Des milliards d'années plus tard, un trio de scientifiques de l'Université de Clemson, dirigé par l'astrophysicien du Collège des sciences Marco Ajello, a identifié ce trou noir et quatre autres similaires dont l'âge varie de 1,4 milliard à 1,9 milliard d'années. Ces objets émettent de copieux rayons gamma, lumière de la plus haute énergie, qui sont des milliards de fois plus énergétiques que la lumière visible à l'œil humain.

Les premiers blazars à rayons gamma connus auparavant – un type de galaxie dont l'émission intense est alimentée par des jets relativistes extrêmement puissants lancés par des trous noirs monstrueux – avaient plus de 2 milliards d'années. Actuellement, l'univers est estimé à environ 14 milliards d'années.

"La découverte de ces trous noirs supermassifs, qui lancent des jets qui émettent plus d'énergie en une seconde que notre soleil n'en produira pendant toute sa durée de vie, était l'aboutissement d'un projet de recherche d'un an, " dit Ajello, qui a passé une grande partie de sa carrière à étudier l'évolution des galaxies lointaines. "Notre prochaine étape est d'accroître notre compréhension des mécanismes impliqués dans la formation, développement et activités de ces objets étonnants, qui sont les accélérateurs les plus puissants de l'univers. Nous ne pouvons même pas nous approcher de reproduire des sorties d'énergie aussi massives dans nos laboratoires. Les complexités que nous essayons de démêler semblent presque aussi mystérieuses que les trous noirs eux-mêmes."

Ajello a mené ses recherches en collaboration avec le post-doctorant Clemson Vaidehi Paliya et la candidate au doctorat Lea Marcotulli. Le trio a travaillé en étroite collaboration avec la collaboration Fermi-Large Area Telescope, qui est une équipe internationale de scientifiques qui comprend Roopesh Ojha, un astronome au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland; et Dario Gasparrini de l'Agence spatiale italienne. Leur article scientifique intitulé "Gamma-Ray Blazars Within the First 2 Billion Years" a été publié lundi dans une revue intitulée Lettres de revues astrophysiques . (Ackermann, M., et al. 2017, ApJL , 837, L5.)

Les percées de l'équipe de Clemson ont été rendues possibles grâce au logiciel récemment mis au point sur le télescope à rayons gamma Fermi de la NASA. Le logiciel remis à neuf a considérablement augmenté la sensibilité du télescope en orbite à un niveau qui a rendu ces dernières découvertes possibles.

"Les gens l'appellent la rénovation la moins chère de l'histoire, " dit Ajello. " Normalement, pour le télescope spatial Hubble, La NASA a dû envoyer quelqu'un dans l'espace pour apporter physiquement ce genre d'améliorations. Mais dans ce cas, ils ont pu le faire à distance à partir d'un emplacement lié à la Terre. Et d'égale importance, les améliorations étaient rétroactives, ce qui signifie que les six années précédentes de données ont également été entièrement retraitées. Cela nous a permis de disposer des informations dont nous avions besoin pour terminer la première étape de notre recherche et également pour avancer dans le processus d'apprentissage. »

En utilisant les données de Fermi, Ajello et Paliya ont commencé avec un catalogue de 1,4 million de quasars, qui sont des galaxies qui abritent en leur centre des trous noirs supermassifs actifs. Au cours d'une année, ils ont réduit leur recherche à 1, 100 objets. Parmi ceux-ci, cinq ont finalement été déterminés comme étant des blazars à rayons gamma nouvellement découverts qui étaient les plus éloignés - et les plus jeunes - jamais identifiés.

"Après avoir utilisé nos filtres et autres appareils, il nous restait environ 1, 100 sources. Et puis nous avons fait les diagnostics pour tout cela et avons pu les réduire à 25 à 30 sources, " a déclaré Paliya. "Mais nous devions encore confirmer que ce que nous avions détecté était scientifiquement authentique. Nous avons donc effectué un certain nombre d'autres simulations et avons pu en déduire des propriétés telles que la masse du trou noir et la puissance du jet. Finalement, nous avons confirmé que ces cinq sources étaient garanties d'être des blazars à rayons gamma, le plus éloigné ayant environ 1,4 milliard d'années depuis le début des temps."

Marcotulli, qui a rejoint le groupe d'Ajello en tant que doctorant en 2016, a étudié les mécanismes des blazars en utilisant des images et des données fournies par un autre télescope en orbite de la NASA, le réseau de télescopes spectroscopiques nucléaires (NuSTAR). En premier, Le rôle de Marcotulli était de comprendre le mécanisme d'émission des blazars gamma plus proches de nous. Maintenant, elle tourne son attention vers les objets les plus éloignés dans une quête pour comprendre ce qui les rend si puissants.

"Nous essayons de comprendre le spectre complet de la distribution d'énergie de ces objets en utilisant des modèles physiques, " a déclaré Marcotulli. " Nous sommes actuellement en mesure de modéliser ce qui se passe beaucoup plus précisément que prévu auparavant, et finalement nous pourrons mieux comprendre quels processus se produisent dans les jets et quelles particules rayonnent toute l'énergie que nous voyons. Sont-ils des électrons ? Ou des protons ? Comment interagissent-ils avec les photons environnants ? Tous ces paramètres ne sont pas entièrement compris pour le moment. Mais chaque jour, nous approfondissons notre compréhension."

Toutes les galaxies ont des trous noirs en leur centre - certaines se nourrissent activement de la matière qui les entoure, d'autres sont relativement dormants. Notre propre galaxie a en son centre un trou noir de grande taille qui est actuellement en sommeil. Ajello a déclaré que seul un trou noir sur 10 dans l'univers actuel est actif. Mais quand l'univers était beaucoup plus jeune, il était plus proche d'un rapport 50-50.

Les trous noirs supermassifs au centre des cinq galaxies blazar nouvellement découvertes sont parmi les plus grands types de trous noirs jamais observés, de l'ordre de centaines de milliers à des milliards de fois la masse de notre propre soleil. Et les disques d'accrétion qui les accompagnent - des tourbillons de matière en rotation qui orbitent autour des trous noirs - émettent plus de deux mille milliards de fois la production d'énergie de notre soleil.

L'un des éléments les plus surprenants de la recherche d'Ajello est la vitesse à laquelle - par des mesures cosmiques - ces trous noirs surdimensionnés ont dû se développer en seulement 1,4 milliard d'années. En termes de nos connaissances actuelles sur la croissance des trous noirs, 1,4 milliard d'années, c'est à peine le temps qu'un trou noir atteigne la masse de ceux découverts par l'équipe d'Ajello.

"Comment ces trous noirs incroyablement énormes et chargés d'énergie se sont-ils formés si rapidement?" dit Ajello. "Est-ce parce qu'un trou noir a mangé beaucoup tout le temps pendant très longtemps ? Ou peut-être parce qu'il a heurté d'autres trous noirs et a fusionné en un seul ? Pour être honnête, nous n'avons aucune observation à l'appui de l'un ou l'autre argument. Il y a des mécanismes à l'œuvre que nous devons encore démêler. Des énigmes que nous n'avons pas encore résolues. Quand nous finirons par les résoudre, nous apprendrons des choses étonnantes sur la naissance de l'univers, comment il est devenu ce qu'il est devenu, et ce que l'avenir lointain pourrait réserver alors que l'univers continue de progresser vers la vieillesse."