C'est un fait bien connu des astronomes et des cosmologistes que plus vous regardez loin dans l'Univers, plus vous remontez dans le temps. Et plus les astronomes sont en mesure de voir le Big Bang, qui a eu lieu il y a 13,8 milliards d'années, plus les découvertes ont tendance à devenir intéressantes. Ce sont ces découvertes qui nous apprennent le plus sur les premières périodes de l'Univers et son évolution ultérieure.
Par exemple, des scientifiques utilisant le Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) et les télescopes Magellan ont récemment observé le premier trou noir supermassif (SMBH) à ce jour. Selon l'étude de l'équipe de découverte, ce trou noir représente environ 800 millions de fois la masse de notre Soleil et est situé à plus de 13 milliards d'années-lumière de la Terre. Cela en fait la SMBH la plus éloignée et la plus jeune observée à ce jour.
L'étude, intitulée «Un trou noir de 800 millions de masse solaire dans un univers sensiblement neutre à un décalage vers le rouge de 7,5», a récemment été publiée dans la revue La nature. Dirigée par Eduardo Bañados, chercheur à la Carnegie Institution for Science, l'équipe comprenait des membres du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, du Max Planck Institute for Astronomy, du Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, de l'Observatoire de Las Cumbres et de plusieurs universités.
Comme avec d'autres SMBH, cette découverte particulière (désignée J1342 + 0928) est un quasar, une classe d'objets super brillants qui se composent d'un trou noir accrétant de la matière au centre d'une galaxie massive. L'objet a été découvert au cours d'un levé pour des objets éloignés, qui combinait des données infrarouges de la mission WISE avec des levés au sol. L'équipe a ensuite effectué un suivi avec les données des télescopes Magellan de l'Observatoire Carnegie au Chili.
Comme pour tous les objets cosmologiques éloignés, la distance de J1342 + 0928 a été déterminée en mesurant son décalage vers le rouge. En mesurant à quel point la longueur d'onde de la lumière d'un objet est étirée par l'expansion de l'Univers avant qu'il n'atteigne la Terre, les astronomes sont en mesure de déterminer la distance qu'il a dû parcourir pour arriver ici. Dans ce cas, le quasar a eu un décalage vers le rouge de 7,54, ce qui signifie qu'il a fallu plus de 13 milliards d'années pour que sa lumière nous parvienne.
Comme Xiaohui Fan de l'Observatoire Steward de l'Université d'Arizona (et co-auteur de l'étude) l'a expliqué dans un communiqué de presse de Carnegie:
«Cette grande distance rend ces objets extrêmement faibles lorsqu'ils sont vus de la Terre. Les premiers quasars sont également très rares dans le ciel. Un seul quasar existait à un décalage vers le rouge supérieur à sept auparavant, malgré des recherches approfondies. »
Compte tenu de son âge et de sa masse, la découverte de ce quasar a été une surprise pour l'équipe d'étude. Comme Daniel Stern, un astrophysicien du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et co-auteur de l'étude, l'a indiqué dans un communiqué de presse de la NASA: «Ce trou noir est devenu beaucoup plus grand que ce à quoi nous nous attendions en seulement 690 millions d'années après le Big Bang, ce qui met notre des théories sur la formation des trous noirs. »
Essentiellement, ce quasar existait à une époque où l'Univers commençait à peine à émerger de ce que les cosmologistes appellent «l'âge des ténèbres». Au cours de cette période, qui a commencé environ 380 000 ans à 150 millions d'années après le Big Bang, la plupart des photons de l'Univers interagissaient avec des électrons et des protons. En conséquence, le rayonnement de cette période est indétectable par nos instruments actuels - d'où le nom.
L'Univers est resté dans cet état, sans aucune source lumineuse, jusqu'à ce que la gravité ait condensé la matière dans les premières étoiles et galaxies. Cette période est connue comme «l'époque de la réinozation», qui a duré de 150 millions à 1 milliard d'années après le Big Bang et a été caractérisée par la formation des premières étoiles, galaxies et quasars. Il est ainsi nommé parce que l'énergie libérée par ces anciennes galaxies a provoqué l'excitation et l'ionisation de l'hydrogène neutre de l'Univers.
Une fois l'Univers reionisé, les photons pouvaient voyager librement dans l'espace et l'Univers devenait officiellement transparent à la lumière. C'est ce qui rend la découverte de ce quasar si intéressante. Comme l'équipe l'a observé, une grande partie de l'hydrogène qui l'entoure est neutre, ce qui signifie que ce n'est pas seulement le quasar le plus éloigné jamais observé, mais aussi le seul exemple de quasar qui existait avant la réionisation de l'Univers.
En d'autres termes, J1342 + 0928 a existé pendant une période de transition majeure pour l'Univers, qui se trouve être l'une des frontières actuelles de l'astrophysique. Comme si cela ne suffisait pas, l'équipe a également été confondue par la masse de l'objet. Pour qu'un trou noir soit devenu si massif au cours de cette première période de l'Univers, il faudrait des conditions spéciales pour permettre une croissance aussi rapide.
Mais quelles sont ces conditions, reste un mystère. Quoi qu'il en soit, cette SMBH nouvellement découverte semble consommer de la matière au centre d'une galaxie à un rythme étonnant. Et tandis que sa découverte a soulevé de nombreuses questions, il est prévu que le déploiement de futurs télescopes en révélera plus sur ce quasar et sa période cosmologique. Comme l'a dit Stern:
«Avec la construction de plusieurs installations de nouvelle génération encore plus sensibles, nous pouvons nous attendre à de nombreuses découvertes passionnantes dans le tout premier univers dans les années à venir.»
Ces missions de nouvelle génération comprennent la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne et le télescope infrarouge à champ large de la NASA (WFIRST). Alors qu'Euclide étudiera des objets situés 10 milliards d'années dans le passé afin de mesurer l'influence de l'énergie sombre sur l'évolution cosmique, WFIRST effectuera des levés proche infrarouge à large champ pour mesurer la lumière provenant d'un milliard de galaxies.
Les deux missions devraient révéler plus d'objets comme J1342 + 0928. À l'heure actuelle, les scientifiques prédisent qu'il n'y a que 20 à 100 quasars aussi brillants et aussi éloignés que J1342 + 0928 dans le ciel. En tant que tels, ils étaient très satisfaits de cette découverte, qui devrait nous fournir des informations fondamentales sur l'Univers alors qu'il n'avait que 5% de son âge actuel.
