Imaginez un geyser cosmique jaillissant sur des distances inouïes peu après les débuts de l’univers. C’est essentiellement ce que les astronomes ont découvert : un trou noir supermassif dans l’univers primitif alimente des jets de plasma s’étendant sur une distance stupéfiante de 215 000 années-lumière, au moins deux fois la largeur de notre galaxie, la Voie Lactée. Cette découverte incroyable, axée sur les jets de trous noirs dans l’univers primitif, met en évidence la plus grande structure de ce type observée à partir de cette époque ancienne et remet en question les idées existantes sur la manière dont ces puissants faisceaux cosmiques se forment et façonnent les jeunes galaxies.
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Un Géant Ancien Émerge
L’objet en question est un quasar, désigné J1601+3102. Nous le voyons tel qu’il existait moins de 1,2 milliard d’années après le Big Bang, une époque où l’univers était encore dans sa relative enfance. La découverte de ces jets colossaux, s’étendant sur plus de deux cent mille années-lumière d’un bout à l’autre, est particulièrement significative car on pensait que de telles structures massives se développaient beaucoup plus tard dans l’histoire de l’univers.
« Nous recherchions des quasars avec de puissants jets radio dans l’Univers primitif », explique l’astrophysicienne Anniek Gloudemans du NOIRLab de la National Science Foundation, « ce qui nous aide à comprendre comment et quand les premiers jets se sont formés et comment ils ont un impact sur l’évolution des galaxies. »
Comment les Trous Noirs Alimentent les Faisceaux Cosmiques
Les jets sont l’une des caractéristiques les plus spectaculaires associées aux trous noirs supermassifs, qui résident au centre de la plupart des grandes galaxies. Lorsque d’énormes quantités de gaz et de poussière tombent vers un trou noir, elles ne tombent pas directement. Au lieu de cela, elles tourbillonnent en un disque à rotation rapide appelé disque d’accrétion, chauffé par la friction et la gravité à des millions de degrés. Cette matière intensément chaude et brillante est ce qui crée un quasar – l’un des objets les plus lumineux de l’univers.
Cependant, toute la matière n’est pas avalée par le trou noir. Une partie est capturée et canalisée par de puissants champs magnétiques près des pôles du trou noir. Cette matière est ensuite accélérée à une vitesse proche de celle de la lumière et expulsée vers l’extérieur sous forme de faisceaux étroitement focalisés ou de jets qui peuvent parcourir d’incroyables distances dans l’espace.
Les jets de trous noirs les plus longs observés à ce jour dans l’univers s’étendent sur des millions d’années-lumière, mais ils ont été trouvés beaucoup, beaucoup plus tard dans l’histoire cosmique que J1601+3102.
Reconstituer le Tableau Cosmique
Observer ces structures distantes et faibles nécessite des outils sophistiqués. Les jets de trous noirs brillent souvent principalement en ondes radio, les rendant invisibles aux télescopes optiques standard. Pour identifier et étudier les jets de J1601+3102, Gloudemans et son équipe ont combiné les données de plusieurs instruments : le télescope Low Frequency Array (LOFAR) en Europe, Gemini Nord sur le Maunakea à Hawaï, et le télescope optique Hobby-Eberly au Texas. En combinant ces différentes vues, les astronomes ont pu reconstituer l’étendue complète des jets.
Image composite montrant les observations télescopiques du quasar J1601+3102, révélant ses jets radio massifs s'étendant dans l'univers primitif.
Au-delà de la révélation de la taille des jets, ces observations ont également permis aux chercheurs d’étudier le trou noir central lui-même. En analysant la lumière du quasar environnant, ils ont pu estimer la masse du trou noir et la vitesse à laquelle il s’alimentait.
Une Source d’Énergie Surprenante ?
Ce qu’ils ont trouvé était inattendu. Le trou noir supermassif au cœur de J1601+3102 a une masse d’environ 450 millions de fois celle de notre Soleil. Bien que massif selon les standards humains, cela est considéré comme relativement modeste par rapport aux trous noirs gigantesques alimentant de nombreux autres quasars brillants. De plus, le trou noir ne consommait pas de matière à un rythme exceptionnellement élevé.
« Fait intéressant, le quasar alimentant ce jet radio massif n’a pas une masse de trou noir extrême par rapport aux autres quasars », note Gloudemans. « Cela semble indiquer qu’il n’est pas nécessairement besoin d’un trou noir exceptionnellement massif ou d’un taux d’accrétion élevé pour générer de tels jets puissants dans l’Univers primitif. »
Cette découverte suggère que les conditions nécessaires pour lancer de massifs jets cosmiques dans l’univers primitif pourraient être plus variées que ce qui était précédemment supposé. Cela laisse entendre que même des trous noirs de taille modeste durant cette époque auraient pu influencer considérablement leurs galaxies hôtes en expulsant de vastes quantités d’énergie et de matière.
Les détails complets de cette découverte ont été publiés dans The Astrophysical Journal Letters.
Cette observation repousse les limites de notre compréhension du cosmos primitif et des moteurs puissants qu’il contient. De futures études rechercheront des objets similaires afin d’obtenir une image plus claire de la manière dont ces géants cosmiques et leurs jets ont évolué dans la jeunesse de l’univers.