Grâce aux capacités considérablement améliorées des télescopes d'aujourd'hui, les astronomes ont sondé plus profondément le cosmos et plus loin dans le temps. Ce faisant, ils ont pu aborder certains mystères de longue date sur l'évolution de l'Univers depuis le Big Bang. L'un de ces mystères est de savoir comment les trous noirs supermassifs (SMBH), qui jouent un rôle crucial dans l'évolution des galaxies, se sont formés au début de l'Univers.
À l'aide du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO au Chili, une équipe internationale d'astronomes a observé des galaxies lorsqu'elles sont apparues environ 1,5 milliard d'années après le Big Bang (il y a environ 12,5 milliards d'années). Étonnamment, ils ont observé de grands réservoirs d'hydrogène gazeux frais qui auraient pu constituer une «source de nourriture» suffisante pour les SMBH. Ces résultats pourraient expliquer la croissance si rapide des SMBH pendant la période connue sous le nom de Cosmic Dawn.
L'équipe était dirigée par le Dr Emanuele Paolo Farina du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) et du Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). Il a été rejoint par des chercheurs du MPIA et du MPA, de l'Observatoire européen austral (ESO), de l'UC Santa Barbara, de l'Observatoire astrophysique Arcetri, de l'Observatoire astrophysique et des sciences spatiales de Bologne et de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPEP).
Depuis des décennies, les astronomes étudient les SMBH, qui existent au cœur de la plupart des galaxies et sont identifiés par leurs noyaux galactiques actifs (AGN). Ces noyaux, également appelés quasars, peuvent émettre plus d'énergie et de lumière que le reste des étoiles de la galaxie réunies. À ce jour, le plus éloigné observé est ULAS J1342 + 0928, qui est situé à 13,1 milliards d'années-lumière.
Étant donné que les premières étoiles se seraient formées seulement 100 000 ans après le Big Bang (il y a environ 13,8 milliards d'années), cela signifie que les SMBH devaient se former rapidement à partir des premières étoiles pour mourir. Jusqu'à présent, cependant, les astronomes n'avaient pas trouvé de poussière et de gaz en quantités suffisamment élevées au début de l'Univers pour expliquer cette croissance rapide.
De plus, des observations antérieures effectuées avec le réseau Atacama Large Millimeter / submillimeter (ALMA) ont révélé que les premières galaxies contenaient beaucoup de poussière et de gaz, ce qui a alimenté la formation rapide d'étoiles. Ces résultats ont indiqué qu'il n'y aurait pas eu beaucoup de matériel restant pour alimenter les trous noirs, ce qui n'a fait qu'approfondir le mystère de la façon dont ils se sont développés aussi rapidement.
Pour résoudre ce problème, Farina et ses collègues se sont appuyés sur les données recueillies par l'instrument Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) du VLT pour étudier 31 quasars à une distance d'environ 12,5 milliards d'années-lumière (observant ainsi à quoi ils ressemblaient il y a 12,5 milliards d'années). Cela fait de leur enquête l'un des plus grands échantillons de quasars de cette première période de l'Univers. Ils ont découvert 12 nuages d'hydrogène étendus et étonnamment denses.
Ces nuages d'hydrogène ont été identifiés par leur lueur caractéristique dans la lumière UV. Compte tenu de la distance et de l'effet du décalage vers le rouge (où la longueur d'onde de la lumière est étirée en raison de l'expansion cosmique), les télescopes terrestres perçoivent la lueur comme une lumière rouge. Comme Farina l'a expliqué dans un communiqué de presse du MPIA:
“L'explication la plus probable du gaz brillant est le mécanisme de la fluorescence. L'hydrogène convertit le rayonnement riche en énergie du quasar en lumière avec une longueur d'onde spécifique, qui est perceptible par une lueur.”
Les nuages d'hydrogène frais et dense - qui représentaient plusieurs milliards de fois la masse du Soleil - ont formé des halos autour des premières galaxies qui se sont étendues pendant 100 000 années-lumière à partir des trous noirs centraux. Habituellement, la détection de tels nuages autour des quasars (qui sont intensément brillants) est plutôt difficile. Mais grâce à la sensibilité de l'instrument MUSE - que Farina a décrit comme «un changeur de jeu» - l'équipe les a trouvés assez rapidement.
Comme Alyssa Drake, une chercheuse du MPIA qui a également contribué à l'étude, a déclaré:
“Avec les études en cours, nous commençons à peine à étudier comment les premiers trous noirs supermassifs ont pu se développer si rapidement. Mais de nouveaux instruments comme MUSE et le futur télescope spatial James Webb nous aident à résoudre ces énigmes passionnantes.”
L'équipe a découvert que ces halos gazeux étaient étroitement liés aux galaxies, fournissant la «source de nourriture» parfaite pour soutenir à la fois la formation rapide d'étoiles et la croissance de trous noirs supermassifs. Ces observations résolvent efficacement le mystère de la façon dont les trous noirs supermassifs pourraient exister si tôt dans l'histoire de l'Univers. Comme le résume Farina:
“Nous sommes maintenant en mesure de démontrer, pour la première fois, que les galaxies primordiales ont suffisamment de nourriture dans leur environnement pour soutenir à la fois la croissance des trous noirs supermassifs et la formation vigoureuse des étoiles. Cela ajoute une pièce fondamentale au puzzle que les astronomes construisent pour imaginer comment les structures cosmiques se sont formées il y a plus de 12 milliards d'années.”
À l'avenir, les astronomes disposeront d'instruments encore plus sophistiqués pour étudier les galaxies et les SMBH dans le premier univers, ce qui devrait révéler encore plus de détails sur les anciens nuages de gaz. Cela inclut le Télescope Extrêmement Grand (ELT) de l’ESO, ainsi que des télescopes spatiaux comme le James Webb Space Telescope (JWST).
L’étude qui décrit les conclusions de l’équipe est parue dans le numéro du 20 décembre de The Astrophysical Journal.
