CR7 : la preuve d'un trou noir d'un nouveau genre

Si je vous dis CR7, vous penserez sans doute à ce joueur star qui n'a pour seul horizon que les filets d'une cage de foot, mais CR7, c'est aussi (et surtout!) un objet astrophysique hors du commun, peut-être le premier spécimen de trou noir supermassif d'une nouvelle espèce.

CR7 n'est en fait pas une star, c'est une "quasi-star", un quasar, selon le terme originel trouvé dans les années 1960 pour décrire ces sources très brillantes visibles comme des sources ponctuelles dans le ciel mais finalement distantes de plusieurs milliards d'années lumière. Les quasars sont des galaxies rendues extrêmement brillantes par l'activité démesurée de leur trou noir supermassif.

Ce que trouvent les astronomes américains menés par Aaron Smith, c'est que CR7 serait activé par un trou noir supermassif dit "par effondrement direct". Cette notion d'effondrement direct (direct collapse) est née il y a déjà une dizaine d'années sur le plan théorique. Elle permet d'expliquer pourquoi on peut voir des trous noirs déjà très massifs (de plus de  milliard de masses solaires) dans l'Univers âgé de moins de 1 milliard d'années. 

Aaron Smith (Université du Texas), Volker Bromm et Avi Loeb ont découvert grâce à des simulations numériques que CR7 pouvait tout à fait, et même complètement correspondre, au trou noir par effondrement direct que Bromm et Loeb avaient théorisé en 2003. Le scénario est le suivant : on débute avec un vaste nuage d'hydrogène et d'hélium, noyé dans un océan de rayonnement ultra-violet. Ce nuage se condense peu à peu puis de plus en plus rapidement dans le champ gravitationnel d'un halo de matière noire. En temps "normal", un tel nuage de gaz devrait se refroidir et se fragmenter pour former... des étoiles. Mais l'intense rayonnement ultra-violet garde au chaud ce gaz et empêche la formation des étoiles. Ces conditions physiques sont les seules propices à un effondrement gravitationnel d'un nuage de gaz sans aucune fragmentation. 

Lorsque la masse de gaz devient extrêmement compacte, on est alors en présence d'une sorte de gigantesque boule de gaz chaud de plusieurs millions de masses solaires, une sorte d'unique étoile absolument monstrueuse et qui continue à s'effondrer très vite, devenant alors un trou noir supermassif.

Et un tel processus ne peut plus se produire dans l'Univers actuel, il n'était possible que dans l'Univers jeune (âgé de 500 millions d'années environ).

Le quasar CR7 a été identifié dans un relevé du télescope spatial Hubble appelé COSMOS. L'astronome David Sobral de l'Université de Lisbonne (un hasard ?) avait ensuite suivi CR7 avec les plus grands télescopes terrestres (le Keck et le VLT). Il a pu y observer que la raie Lyman Alpha de l'hydrogène était beaucoup plus intense qu'attendu, ainsi que la présence d'une brillante raie d'émission de l'hélium, imprévue. Il en concluait que la source à l'origine des émissions de CR7 devait être très chaude, suffisamment chaude pour ioniser l'hélium (de l'ordre de 100 000 degrés), signe d'une source de rayonnement ultra-violet très puissante. D'autre part, ces spectres ne montraient aucune raie spectrale caractéristique d'éléments plus lourds que l'hélium.

Ces traits inhabituels dans le spectre de CR7 associés à sa distance très grande (12,7 milliards d'années-lumière) disent qu'il peut s'agir soit d'un amas d'étoiles primordiales (l'hypothèse de Sobral, voir ici), soit d'un spécimen de ces trous noirs par effondrement direct encore théoriques.

Aaron Smith et ses collaborateurs ont donc conduit des simulations en explorant les deux possibilités, grâce au superordinateur de l'Advanced Computing Center de l'Université d'Austin (UT) avec un nouvel algorithme fondé sur des équations d'hydrodynamique radiative, très gourmand en ressources de calculs.

Le résultat qu'ils obtiennent est très net : le scénario des étoiles primordiales ne marche pas du tout. En revanche, celui du trou noir par effondrement direct explique très bien ce qui est observé.

Volker Bromm explique que leur travail va bien au delà de la compréhension du fonctionnement des premières galaxies : "Avec CR7, nous avons des observations étonnantes. Nous essayons de les expliquer et en même temps de prédire ce que devraient trouver de futures observations. Nous tentons de fournir un cadre théorique cohérent."

L'origine des premiers trous noirs supermassifs semble donc de plus en plus claire. On se souvient qu'à la fin du mois de mai dernier, deux autres candidats au titre de trous noirs par effondrement direct ont été observés par le télescope spatial Chandra X-Ray Observatory, nous en avions parlé ici). Les observations et la théorie semblent enfin converger pour résoudre ce problème des graines de quasar qui a si longtemps intrigué les astrophysiciens...

Source :

Evidence for a direct collapse black hole in the Lyman α source CR7

Aaron Smith, Volker Bromm and Abraham Loeb

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 460 (3) (August 11, 2016) 

http://dx.doi.org/10.1093/mnras/stw1129

Illustrations :

1) Simulation hydrodynamique radiative de l'écoulement du gaz le long de filaments de matière noire conduisant à un effondrement gravitationnel direct. (A. Smith et al.)

2) Simulations cosmologiques d'un quasar de type CR7 énergétisé par un trou noir de 22 millions de masses solaires (J. Smidt et al. http://arxiv.org/abs/1603.00888)