Les données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA ont révélé ce qui pourrait être le trou noir enveloppé le plus éloigné, qui n'a peut-être existé que 850 millions d'années après le Big Bang, soit environ un demi-milliard d'années plus tôt que le précédent détenteur du record. Le petit, la région centrale marquée d'une croix rouge dans l'image principale - du relevé optique PanSTARRS - contient le quasar PSO167-13, qui a été découvert pour la première fois avec PanSTARRS. L'encart de gauche contient des rayons X détectés avec Chandra de cette région, avec PSO167-13 au milieu. L'encart de droite montre le même champ de vision que celui vu par l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) d'antennes paraboliques au Chili. La source lumineuse est le quasar et un faible, la galaxie compagne voisine apparaît en bas à gauche. Crédit :Rayons X :NASA/CXO/Pontificia Universidad Catolica de Chile/F. Vito; Radio :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Optique :Pan-STARRS
Un groupe d'astronomes, y compris les scientifiques de Penn State, a annoncé la découverte probable d'un trou noir très obscur existant seulement 850 millions d'années après le Big Bang, à l'aide de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA. C'est la première preuve d'un trou noir masqué à une époque aussi précoce.
Les trous noirs supermassifs se développent généralement en tirant de la matière d'un disque de matière environnante. Pour la croissance la plus rapide, ce processus génère des quantités prodigieuses de rayonnement dans une très petite région autour du trou noir, et produit un extrêmement lumineux, source compacte appelée quasar.
Les calculs théoriques indiquent que la majeure partie de la croissance initiale des trous noirs se produit alors que le trou noir et le disque sont entourés d'un nuage dense de gaz qui alimente le disque en matériau. Au fur et à mesure que le trou noir grandit, le gaz dans le nuage est épuisé jusqu'à ce que le trou noir et son disque brillant soient découverts.
"Il est extrêmement difficile de trouver des quasars dans cette phase masquée car une grande partie de leur rayonnement est absorbée et ne peut pas être détectée par les instruments actuels, " dit Fabio Vito, Boursier CAS-CONICYT à la Pontificia Universidad Católica de Chile, qui a dirigé l'étude, qu'il a commencé en tant que chercheur postdoctoral à Penn State. "Grâce à Chandra et à la capacité des rayons X à percer le nuage obscurcissant, nous pensons avoir enfin réussi."
La découverte résulte des observations d'un quasar appelé PSO 167-13, qui a été découvert pour la première fois par Pan-STARRS, un télescope optique à Hawaï. Les observations optiques de ces études et d'autres ont permis de détecter environ 200 quasars qui brillaient déjà de mille feux lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années, ou environ 8 pour cent de son âge actuel. Ces relevés n'ont été considérés comme efficaces que pour trouver des trous noirs non obstrués, parce que le rayonnement qu'ils détectent est supprimé même par de minces nuages de gaz et de poussière environnants. Par conséquent, le PSO 167-13 devait être dégagé.
L'équipe de Vito a pu tester cette idée en effectuant des observations Chandra de PSO 167-13 et de neuf autres quasars découverts avec des relevés optiques. Après 16 heures d'observation, seuls trois photons de rayons X ont été détectés à partir du PSO 167-13, le tout avec des énergies relativement élevées. Les rayons X de faible énergie sont plus facilement absorbés que ceux de plus haute énergie, donc l'explication probable de l'observation de Chandra est que le quasar est fortement obscurci par le gaz, permettant de détecter uniquement les rayons X de haute énergie.
"C'était une surprise totale, " a déclaré le co-auteur Niel Brandt, Verne M. Willaman Professeur d'astronomie et d'astrophysique et professeur de physique à Penn State. "C'était comme si nous nous attendions à un papillon de nuit mais avons vu un cocon à la place. Aucun des neuf autres quasars que nous avons observés n'était masqué, c'est ce que nous attendions."
Une tournure intéressante pour PSO 167-13 est que la galaxie hébergeant le quasar a une galaxie compagne proche visible dans les données précédemment obtenues avec le grand réseau millimétrique d'Atacama (ALMA) d'antennes paraboliques au Chili et le télescope spatial Hubble de la NASA. En raison de leur séparation étroite et de la faible luminosité de la source de rayons X, l'équipe n'a pas pu déterminer si l'émission de rayons X nouvellement découverte est associée au quasar PSO 167-13 ou à la galaxie compagne.
Si les rayons X proviennent du quasar connu, alors les astronomes doivent développer une explication pour laquelle le quasar est apparu fortement obscurci dans les rayons X mais pas dans la lumière optique. Une possibilité est qu'il y ait eu une augmentation importante et rapide de l'obscurcissement du quasar au cours des 3 années entre le moment où les observations optiques et les observations aux rayons X ont été faites.
D'autre part, si au contraire les rayons X proviennent de la galaxie compagne, il représente ensuite la détection d'un nouveau quasar à proximité immédiate de PSO 167-13. Cette paire de quasars serait la plus éloignée encore détectée, battre le record de 1,2 milliard d'années après le Big Bang. Dans l'un ou l'autre de ces deux cas, le quasar détecté par Chandra serait le plus éloigné jamais vu. Le précédent détenteur du record est observé 1,3 milliard d'années après le Big Bang. Les auteurs prévoient de faire une caractérisation plus fine de la source avec des observations de suivi.
"Avec une observation plus longue de Chandra, nous pourrons avoir une meilleure estimation de l'obscurcissement de ce trou noir, " a déclaré le co-auteur Franz Bauer, également de la Pontificia Universidad Católica de Chile et ancien chercheur postdoctoral de Penn State, "et faire une identification sûre de la source de rayons X avec le quasar connu ou la galaxie compagnon."
Les auteurs prévoient également de rechercher d'autres exemples de trous noirs très obscurcis.
"Nous soupçonnons que la majorité des trous noirs supermassifs de l'univers primitif sont masqués :il est alors crucial de les détecter et de les étudier pour comprendre comment ils pourraient atteindre des masses d'un milliard de soleils si rapidement, " a déclaré le co-auteur Roberto Gilli de l'INAF à Bologne, Italie.
Un article décrivant ces résultats paraît en ligne le 8 août dans la revue Astronomie &Astrophysique . Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le Chandra X-ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory contrôle la science et les opérations aériennes depuis Cambridge, MA. Les données utilisées dans cette recherche ont été recueillies à l'aide du spectromètre d'imagerie CCD avancé sur Chandra, un instrument conçu et conçu par une équipe dirigée par le professeur émérite d'astronomie et d'astrophysique de Penn State Evan Pugh Gordon Garmire.
En plus de Vito, Brandt, et Bauer, l'équipe de recherche comprend également les anciens chercheurs postdoctoraux de Penn State Ohad Shemmer, Cristian Vignali, et Bin Luo, qui a également obtenu son doctorat à Penn State.
