Une équipe d'astronomes, dont deux du MIT, a détecté le trou noir supermassif le plus éloigné jamais observé. Le trou noir se trouve au centre d'un quasar ultra-brillant, dont la lumière a été émise seulement 690 millions d'années après le Big Bang. Cette lumière a mis environ 13 milliards d'années pour nous atteindre, un laps de temps presque égal à l'âge de l'univers.

Le trou noir est évalué à environ 800 millions de fois plus massif que notre soleil - un Goliath selon les normes modernes et une anomalie relative dans l'univers primitif.

"C'est le seul objet que nous ayons observé de cette époque, " dit Robert Simcoe, le professeur Francis L. Friedman de physique à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Il a une masse extrêmement élevée, et pourtant l'univers est si jeune que cette chose ne devrait pas exister. L'univers n'était tout simplement pas assez vieux pour faire un trou noir aussi gros. C'est très déroutant."

L'environnement dans lequel il s'est formé s'ajoute à l'intrigue du trou noir :les scientifiques ont déduit que le trou noir a pris forme au moment même où l'univers subissait un changement fondamental, d'un environnement opaque dominé par l'hydrogène neutre à un environnement dans lequel les premières étoiles ont commencé à clignoter. Au fur et à mesure de la formation d'étoiles et de galaxies, ils ont finalement généré suffisamment de rayonnement pour faire basculer l'hydrogène du neutre, un état dans lequel les électrons de l'hydrogène sont liés à leur noyau, à ionisé, dans lequel les électrons sont libérés pour se recombiner au hasard. Ce passage de l'hydrogène neutre à l'hydrogène ionisé a représenté un changement fondamental dans l'univers qui a persisté à ce jour.

L'équipe pense que le trou noir nouvellement découvert existait dans un environnement à moitié neutre, à moitié ionisé.

"Ce que nous avons découvert, c'est que l'univers était à environ 50/50 - c'est un moment où les premières galaxies ont émergé de leurs cocons de gaz neutre et ont commencé à briller, " dit Simcoe. " C'est la mesure la plus précise de l'époque, et une véritable indication du moment où les premières étoiles se sont allumées."

Simcoe et la postdoctorante Monica L. Turner sont les co-auteurs du MIT d'un article détaillant les résultats, publié aujourd'hui dans la revue La nature . Les autres auteurs principaux sont de la Carnegie Institution for Science, à Pasadena, Californie.

Un changement, à haute vitesse

Le trou noir a été détecté par Eduardo Bañados, un astronome à Carnegie, qui a trouvé l'objet en passant au peigne fin plusieurs relevés dans le ciel, ou des cartes de l'univers lointain. Bañados recherchait en particulier des quasars, certains des objets les plus brillants de l'univers, qui consistent en un trou noir supermassif entouré de tourbillons, disques d'accrétion de matière.

Après avoir identifié plusieurs objets d'intérêt, Bañados s'est concentré sur eux à l'aide d'un instrument connu sous le nom de FIRE (l'échelle infrarouge à port plié), qui a été construit par Simcoe et fonctionne sur les télescopes Magellan de 6,5 mètres de diamètre au Chili. FIRE est un spectromètre qui classe les objets en fonction de leur spectre infrarouge. La lumière de très loin, les premiers objets cosmiques se déplacent vers des longueurs d'onde plus rouges lors de leur voyage à travers l'univers, à mesure que l'univers s'étend. Les astronomes appellent ce phénomène de type Doppler « redshift »; plus un objet est éloigné, plus sa lumière s'est déplacée vers le rouge, ou l'extrémité infrarouge du spectre. Plus le décalage vers le rouge d'un objet est élevé, plus c'est loin, à la fois dans l'espace et dans le temps.

En utilisant le FEU, l'équipe a identifié l'un des objets de Bañados comme un quasar avec un décalage vers le rouge de 7,5, ce qui signifie que l'objet émettait de la lumière environ 690 millions d'années après le Big Bang. Sur la base du décalage vers le rouge du quasar, les chercheurs ont calculé la masse du trou noir en son centre et déterminé qu'il représente environ 800 millions de fois la masse du soleil.

"Quelque chose fait que le gaz à l'intérieur du quasar se déplace à très grande vitesse, et le seul phénomène connu qui permet d'atteindre de telles vitesses est l'orbite autour d'un trou noir supermassif, " dit Simcoe.

Quand les premières étoiles se sont allumées

Le quasar nouvellement identifié semble habiter un moment charnière de l'histoire de l'univers. Immédiatement après le Big Bang, l'univers ressemblait à une soupe cosmique de chaud, particules extrêmement énergétiques. Alors que l'univers s'étendait rapidement, ces particules se sont refroidies et ont fusionné en gaz hydrogène neutre au cours d'une ère que l'on appelle parfois l'âge des ténèbres, une période dépourvue de toute source de lumière. Finalement, la gravité a condensé la matière dans les premières étoiles et galaxies, qui à son tour produit de la lumière sous forme de photons. Alors que de plus en plus d'étoiles se sont allumées dans tout l'univers, leurs photons réagissaient avec de l'hydrogène neutre, ioniser le gaz et déclencher ce qu'on appelle l'époque de la réionisation.

Simcoe, Bañados, et leurs collègues pensent que le quasar nouvellement découvert a existé pendant cette transition fondamentale, juste au moment où l'univers subissait un changement drastique dans son élément le plus abondant.

Les chercheurs ont utilisé FIRE pour déterminer qu'une grande partie de l'hydrogène entourant le quasar est neutre. Ils ont extrapolé à partir de cela pour estimer que l'univers dans son ensemble était probablement à moitié neutre et à moitié ionisé au moment où ils ont observé le quasar. De là, ils en ont déduit que les étoiles devaient avoir commencé à s'allumer pendant ce temps, 690 millions d'années après le Big Bang.

"Cela ajoute à notre compréhension de notre univers dans son ensemble parce que nous avons identifié ce moment où l'univers est au milieu de cette transition très rapide de neutre à ionisé, " dit Simcoe. "Nous avons maintenant les mesures les plus précises à ce jour du moment où les premières étoiles se sont allumées."

Il reste un grand mystère à résoudre :comment un trou noir de proportions aussi massives s'est-il formé si tôt dans l'histoire de l'univers ? On pense que les trous noirs se développent en s'accrétant, ou absorbant la masse du milieu environnant. Trous noirs extrêmement grands, comme celui identifié par Simcoe et ses collègues, devrait se former sur des périodes bien supérieures à 690 millions d'années.

"Si vous commencez avec une graine comme une grande star, et laissez-le grandir au taux maximum possible, et commencer au moment du Big Bang, vous ne pourriez jamais faire quelque chose avec 800 millions de masses solaires - c'est irréaliste, " dit Simcoe. " Il doit donc y avoir une autre façon dont cela s'est formé. Et comment cela se passe exactement, personne ne sait."