24/05/2016

Un nouvel indice sur l'origine des premiers trous noirs supermassifs

Illustration de l'objet 29323 (encadrés : en haut : image en rayons X par Chandra, en bas : en visible par Hubble)
(NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/STScl/CXC-M.Weiss)
Nous en avons déjà longuement parlé ici, l'origine des trous noirs supermassifs est une énigme. Deux théories s'affrontent : soit ces trous noirs de plusieurs millions ou milliards de masses solaires sont nés à partir de trous noirs stellaires de quelques centaines de masses solaires qui ont ensuite grossi extrêmement vite par accrétion de matière et par fusions successives avec d'autres trous noirs, soit ces premiers trous noirs supermassifs sont nés déjà très gros, de 10 000 à 100 000 masses solaires, par effondrement gravitationnel de nuages de gaz et ont continué à grossir à une vitesse normale.



On se souvient qu'au début 2015 avait été découvert un trou noir supermassif quasi inexplicable car ayant une masse de 17 milliards de masses solaires et situé dans l'Univers âgé de moins de 1 milliard d'années... Le taux de croissance de masse d'un trou noir étant limité (ce qu'on appelle la limite de Eddington), il est difficile d'expliquer l'obtention d'un trou noir si massif en si peu de temps à partir d'un trou noir initial stellaire de 10 à 100 masses solaires au maximum.
 Aujourd'hui, une équipe d'astrophysiciens italiens vient de mettre en évidence ce qui pourrait bien ressembler aux deux premiers spécimens de graines de trous noirs supermassif dans l'Univers très jeune, et qui tendent à valider la seconde hypothèse théorique pour la formation des trous noirs supermassifs. Les chercheurs italiens ont exploité pour cela des données de trois télescopes spatiaux : Chandra X-Ray Observatory, Hubble et Spitzer.

Ces premières graines de trous noirs supermassifs sont vues dans l'Univers âgé de moins de 500 millions d'années, l'époque où apparaissent les premières étoiles formant les galaxies naissantes.
En combinant simulations numériques et données observationnelles, les astrophysiciens menés par Fabio Pacucci (Ecole Normale Supérieure de Pise), qui publient leur étude dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, parviennent à prédire quel est le spectre que devraient montrer de tels objets dans l'infra-rouge (émission émanant du halo entourant le trou noir), puis sélectionnent dans un catalogue d'objets émettant en rayons X (typique des trous noirs) les objets qui possèdent également ce spectre infra-rouge caractéristique. 
Un tel spectre infra-rouge, si il était dû uniquement à une composante stellaire nécessiterait un taux de formation d'étoiles irréaliste, de l'ordre de 2000 étoiles par an... Les deux candidats trouvés parmi les dizaines de milliers de sources du relevé CANDELS sont nommés par des numéros : 29323 et 33160.

Les chercheurs estiment que ces deux graines de trou noir se seraient formées par l'effondrement gravitationnel direct d'un nuage de gaz d'une masse de l'ordre de 100 000 masses solaires ou plus.

Les astrophysiciens italiens sont conscients que leur mise en évidence est encore fragile et ressemble plus à une hypothèse forte. D'une part les sources ayant les bonnes caractéristiques sont peu nombreuses dans les catalogues astrophysiques actuels. D'autre part, seules des mesures spectrales à très haute résolution peuvent confirmer la vraie nature d'un trou noir par effondrement direct par ses signatures (raies d'émission). Or les sources potentielles sont trop faibles pour que les meilleurs télescopes d'aujourd'hui (Hubble, VLT ou Keck) puissent fournir ces mesures spectroscopiques.
Mais l'avenir est prometteur car, comme le précisent les auteurs de cette étude, le télescope spatial James Webb, qui observera dès 2018 l'Univers en infra-rouge, ce que ne peuvent pas faire les télescopes terrestres, devrait révolutionner le domaine en ouvrant la porte à l'observation des toutes premières étoiles et des tous premiers trous noirs supermassifs (ayant une masse inférieure au million de masses solaires) si ils sont bien produits par effondrement direct, comme ces observations semblent l'indiquer, et pourrait donc rapidement les confirmer.


First identification of direct collapse black hole candidates in the early Universe in CANDELS /GOODS-S
Fabio Pacucci et al.
MNRAS (June 21, 2016) 459 (2): 1432-1439.