En relisant les premiers chapitres de l’histoire de l’univers, les astronomes ont découvert un horde de gigantesques trous noirs qui semblent avoir mûri beaucoup plus rapidement que ce que les scientifiques pensaient possible.
Priyamvada Natarajan s’apparente à un biologiste cosmique. Elle étudie la vie de ces trous noirs précoces, objets si denses qu’ils emprisonnent toute matière et toute lumière à leur portée. En tant qu’étudiant diplômé en astronomie, Natarajan a été parmi les premiers à traiter trous noirs en tant que populations plutôt qu’objets individuels en étudiant leur taxonomie générale et leur évolution comme s’ils étaient des chauves-souris dans une forêt tropicale. Aujourd’hui astrophysicienne à l’Université de Yale, Natarajan continue d’étudier le comportement de ces animaux et se concentre sur la compréhension de leur naissance.
Traditionnellement, les trous noirs se forment à la suite d’une grande explosion stellaire et grossissent en se régalant des réservoirs de gaz à proximité. Mais une poignée d’observations de trous noirs supermassifs dans le tout premier univers suggèrent qu’il y a plus à voir. En 2006, Natarajan et ses collègues ont proposé une nouvelle explication radicale sur la manière dont des disques de gaz pourraient s’effondrer directement en bébés trous noirs anormalement massifs sans jamais former d’étoile. L’année dernière, une observation conjointe du Télescope spatial James Webb (JWST) et l’observatoire de rayons X Chandra ont repéré un trou noir lointain et rayonnant qui semble enfin vérifier la prédiction de Natarajan.
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« C’est certainement un argument très solide en faveur de ces lourdes graines de trous noirs », déclare Raffaella Schneider, astrophysicienne à l’Université Sapienza de Rome. « (Natarajan) ayant proposé cette idée a vraiment aidé la communauté à élargir notre vision des différentes possibilités qui peuvent se produire. »
Natarajan a parlé à Américain scientifique sur la façon dont les observations récentes soutiennent sa proposition de « trous noirs à effondrement direct » et ce qu’elles nous disent sur l’ascendance de ces créatures.
(Une transcription éditée de l’entretien suit.)
Qu’est-ce qui vous a incité à étudier les trous noirs et leurs origines ?
J’ai toujours été attiré par les entités invisibles de l’univers. Mon travail a principalement consisté à essayer de comprendre à un niveau fondamental la nature de ces composants sombres de l’univers : la matière noire et l’énergie noire, ainsi que les trous noirs. Je trouve ces objets incroyablement séduisants et énigmatiques. Ils rappellent les limites de nos connaissances, les lieux où les lois connues de la physique s’effondrent.
Au cours des dernières décennies, les trous noirs sont passés d’un concept purement mathématique à des objets réels que nous pouvons observer, et ils occupent désormais une place centrale dans notre compréhension de la formation des galaxies. L’univers est simplement jonché de trous noirs de toutes tailles. Ils constituent une partie importante de notre inventaire cosmique, donc comprendre comment ils sont apparus est une question fondamentale ouverte.
Que ne savons-nous pas sur la formation des trous noirs ?
Généralement, les trous noirs naissent lorsque les étoiles meurent. Lorsque les étoiles les plus massives subissent un effondrement gravitationnel, la petite pépite qu’elles laissent derrière elles est un trou noir. C’est l’histoire d’origine assez clairement établie.
Le trou noir le plus éloigné jamais détecté par les rayons X est situé dans la galaxie UHZ1, photographié par l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA (violet) et les données infrarouges du télescope spatial James Webb de la NASA (rouge, vert, bleu).
Mais il y a environ vingt ans, alors que nous commencions à regarder de plus en plus loin dans l’univers avec des missions telles que le Enquête sur le ciel numérique de Sloan, nous avons découvert une poignée de trous noirs très massifs – jusqu’à environ un milliard de fois la masse du soleil – alors que l’univers n’avait qu’un à deux milliards d’années. Étant donné la vitesse à laquelle nous savons que les trous noirs aiment se nourrir, nous n’avions tout simplement pas assez de temps pour prendre les minuscules graines que vous obtiendriez des premières étoiles qui explosaient et les cultiver pour former ces trous noirs géants. Au cours des années suivantes, nous avons commencé à réaliser qu’il ne s’agissait pas seulement de quelques objets bizarres ; il y avait en fait toute une population de trous noirs supermassifs dans le tout premier univers. Et c’est à ce moment-là que l’énigme a commencé.
Certaines personnes ont commencé à explorer s’il existait des moyens permettant aux trous noirs de se nourrir beaucoup plus rapidement que la limite connue. Théoriquement, il y en a, mais nous n’avons pas encore vu d’indications observationnelles convaincantes à ce sujet. Alors j’ai commencé à me demander : et si nous commencions simplement avec des graines plus grosses ? Mon équipe et moi avons réalisé que si un disque de gaz était rayonné par des étoiles d’une galaxie proche, il pourrait contourner le processus de formation des étoiles et s’effondrer directement dans un trou noir. Ce trou noir à effondrement direct serait beaucoup plus grand à la naissance : 1 000 à 100 000 fois la masse du soleil. Ce trou noir pourrait alors fusionner avec une galaxie proche et atteindre facilement la taille que nous voyons.
Comment cette proposition a-t-elle été accueillie par la communauté ?
Beaucoup de gens ont repoussé. Ils ont dit : « La physique est mignonne et elle a du sens, mais ce processus est-il suffisamment efficace pour se produire réellement dans l’univers ? » À l’époque, ces époques de l’univers n’étaient pas accessibles par observation. Pour observer la formation de ces premières graines, nous avons dû revenir sur le premier milliard d’années après la formation de l’univers.
C’est pourquoi la promesse de JWST était si alléchante ; cela nous a motivés à continuer à travailler là-dessus. Nous avons commencé à réfléchir aux signes que nous pourrions rechercher comme preuve de l’effondrement direct des trous noirs, et nous avons eu une idée. Dans les galaxies proches, la masse de toutes les étoiles est souvent de 1 000 à 10 000 fois celle du trou noir central. Mais dans ces scénarios d’effondrement direct, pendant une brève période de temps, la masse du trou noir pourrait en réalité être comparable à la masse des étoiles. Cela signifie que vous devriez voir un trou noir extrêmement brillant et qui se nourrit activement, éclipsant essentiellement toutes les étoiles de la galaxie. Si nous pouvions observer l’une de ces galaxies à la fois en rayons X et en lumière infrarouge, nous verrions des signatures distinctes du trou noir surmassif en son centre.
Cependant, même avec JWST et Chandra, nous ne pouvons pas voir assez loin pour assister directement à la formation des premières graines de trous noirs. Mais j’ai réalisé que si la nature était gentille avec nous, l’une de ces galaxies pourrait se cacher derrière une loupe : un amas de galaxies riche en matière noire qui agit comme une lentille gravitationnelle spectaculaire. J’avais travaillé à la cartographie de certaines de ces lentilles gravitationnelles avec le télescope spatial Hubble et j’ai suggéré que nous concentrions nos nouveaux télescopes sur cet amas très complexe appelé Abell 2744. Je connaissais parfaitement chaque partie de cette carte de matière noire. J’avais bon espoir, mais c’était un véritable coup dans le noir.
Et comment cela a-t-il payé ?
Et voilà, au début de l’année dernière, j’ai reçu un appel de mon collègue, l’astrophysicien Akos Bogdan, qui avait vu les observations Chandra des galaxies derrière l’objectif Abell 2744. Il a dit : « Êtes-vous assis ? Je pense que nous avons trouvé quelque chose. Par pure coïncidence, le spectre d’une galaxie correspondait incroyablement bien aux graphiques de prédiction que nous avions réalisés en 2017 concernant une détection hypothétique. C’était ahurissant. Il coche chaque propriété prédite. C’est une preuve très convaincante que des trous noirs à effondrement direct se forment effectivement au début de l’univers. Ce n’est plus seulement une spéculation.
Il pourrait encore exister d’autres moyens de former des graines de trous noirs. C’est ce que je vais faire ensuite : essayer de découvrir d’autres voies et quelles pourraient être leurs signatures d’observation uniques. Cela ouvre toute une boîte de Pandore de questions passionnantes.
Je peux imaginer. Qu’avez-vous ressenti en trouvant enfin des preuves de votre idée dans la nature ?
C’est exactement ce qui me passionne dans le fait d’être astrophysicien : je veux que les idées théoriques soient confrontées aux données d’observation. Nous vivons une période incroyable de l’histoire où vous pouvez faire une prédiction et, au cours de votre vie, elle peut être validée ou invalidée. C’est précisément pourquoi on dit que nous vivons à l’âge d’or de la cosmologie. Je suis profondément reconnaissant.
