Configuration de base des observations de quasar :La lumière d'un quasar (à droite) est absorbée par le gaz. L'absorption est bien moindre dans la zone de proximité du quasar, qui est représenté en vert pour un quasar plus ancien, en jaune pour un quasar plus jeune. L'étendue de la zone de proximité peut être lue sur le spectre (en bas). Le quasar lui-même est un trou noir central, entouré d'un disque de matière tourbillonnante, et éventuellement l'envoi de particules dans deux jets étroitement focalisés (en médaillon, en haut à droite). Crédit :A.C. Eilers &J. Neidel, MPIA
Les quasars sont des objets lumineux avec des trous noirs supermassifs en leur centre, visible sur de vastes distances cosmiques. La chute de matière augmente la masse du trou noir et est également responsable de la luminosité d'un quasar. Maintenant, en utilisant le W.M. Observatoire de Keck à Hawaï, les astronomes dirigés par Christina Eilers ont découvert des quasars extrêmement jeunes avec une propriété déroutante :ces quasars ont la masse d'environ un milliard de soleils, pourtant ramasser de la matière depuis moins de 100, 000 ans. La sagesse conventionnelle dit que les quasars de cette masse auraient dû attirer la matière mille fois plus longtemps que cela – une énigme cosmique. Les résultats ont été publiés dans l'édition du 2 mai du Journal d'astrophysique .
Au cœur de chaque galaxie massive se cache un trou noir supermassif. Comment ces trous noirs se sont formés, et comment ils sont devenus aussi massifs que des millions voire des milliards de soleils, est une question ouverte. Au moins certaines phases de croissance vigoureuse sont très visibles pour les observateurs astronomiques :chaque fois qu'il y a des quantités substantielles de gaz tourbillonnant dans le trou noir, la matière à proximité directe du trou noir émet une quantité abondante de lumière. Le trou noir s'est transformé par intermittence en quasar, l'un des objets les plus lumineux de l'univers.
Maintenant, des chercheurs de l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) ont découvert trois quasars qui défient la sagesse conventionnelle sur la croissance des trous noirs. Ces quasars sont extrêmement massifs, mais n'aurait pas dû avoir suffisamment de temps pour rassembler toute cette masse. La découverte, qui est basé sur des observations au W.M. Observatoire de Keck à Hawaï, aperçus dans l'histoire cosmique ancienne:En raison de leur extrême luminosité, les quasars peuvent être observés à de grandes distances. Les astronomes ont observé des quasars dont la lumière a mis près de 13 milliards d'années pour atteindre la Terre. En conséquence, les observations montrent que ces quasars ne sont pas tels qu'ils sont aujourd'hui, mais comme ils l'étaient il y a près de 13 milliards d'années, moins d'un milliard d'années après le big bang.
Vue d'artiste d'un quasar :trou noir (au centre) entouré d'un disque d'accrétion chaud, avec deux jets constitués de particules extrêmement rapides perpendiculairement au disque. Crédit :J. Neidel / MPIA
Les quasars en question ont environ un milliard de fois la masse du soleil. Toutes les théories actuelles de la croissance des trous noirs postulent que, pour faire grandir ce massif, les trous noirs auraient eu besoin de collecter la matière tombante, et brille comme des quasars, depuis au moins cent millions d'années. Mais ces trois quasars se sont avérés avoir été actifs pendant un temps beaucoup plus court, moins que 100, 000 ans. "C'est un résultat surprenant, " explique Christina Eilers, doctorant à MPIA et auteur principal de la présente étude. "Nous ne comprenons pas comment ces jeunes quasars ont pu développer les trous noirs supermassifs qui les alimentent en si peu de temps."
Pour déterminer depuis combien de temps ces quasars étaient actifs, les astronomes ont examiné comment les quasars avaient influencé leur environnement - en particulier, ils ont examiné chauffé, « zones de proximité » pour la plupart transparentes autour de chaque quasar. "En simulant comment la lumière des quasars ionise et chauffe le gaz autour d'eux, nous pouvons prédire la taille de la zone de proximité de chaque quasar, " explique Frédérick Davies, un chercheur postdoctoral au MPIA qui est un expert de l'interaction entre la lumière des quasars et le gaz intergalactique. Une fois le quasar « allumé » par la chute de matière, ces zones de proximité se développent très rapidement. "Au cours d'une vie de 100 ans, 000 ans, les quasars devraient déjà avoir de grandes zones de proximité."
Étonnamment, trois des quasars avaient de très petites zones de proximité - indiquant que la phase active du quasar ne peut pas s'être installée dans plus de 100, 000 ans plus tôt. "Aucun modèle théorique actuel ne peut expliquer l'existence de ces objets, " dit le professeur Joseph Hennawi, qui dirige le groupe de recherche au MPIA qui a fait la découverte. "La découverte de ces jeunes objets remet en question les théories existantes sur la formation des trous noirs et nécessitera de nouveaux modèles pour mieux comprendre comment les trous noirs et les galaxies se sont formés."
Les astronomes ont déjà planifié leurs prochaines étapes. "Nous aimerions trouver plus de ces jeunes quasars, " dit Christina Eilers, « Bien que la découverte de ces trois quasars inhabituels ait pu être un coup de chance, trouver des exemples supplémentaires impliquerait qu'une fraction importante de la population connue de quasars est beaucoup plus jeune que prévu. » Les scientifiques ont déjà demandé du temps au télescope pour observer plusieurs candidats supplémentaires. ils espèrent, va contraindre de nouveaux modèles théoriques sur la formation des premiers trous noirs supermassifs dans l'univers - et, par implication, aider les astronomes à comprendre l'histoire des trous noirs supermassifs géants au centre des galaxies actuelles comme notre propre Voie lactée.
