Comment les trous noirs supermassifs de l’univers primitif ont-ils pu grandir si vite ?

Comment les trous noirs supermassifs ont-ils pu grandir si vite dans l’univers ancien ? Des scientifiques ont peut-être enfin trouvé comment ces trous noirs ont pu devenir si énormes alors que l’univers était encore jeune. Leur étude a été présentée le 14 octobre 2019 dans la revue The Astrophysical Journal Letters, a repéré ScienceAlert.

Un milliard d’années après le Big Bang, quand l’univers était encore jeune, les trous noirs supermassifs existaient déjà, rappelle un communiqué annonçant la publication de la nouvelle étude. Non seulement il est compliqué de savoir comment se sont formés des trous noirs supermassifs aussi anciens, mais il est aussi difficile de comprendre comment ces objets ont pu devenir tellement grands en si peu de temps.

Un trou noir actif entouré d'un nuage de poussière.

Source : NASA/SOFIA/Lynette Cook (photo recadrée)

Deux disques de gaz en rotation… dans des sens opposés

Les trous noirs supermassifs ont une masse vertigineuse : elle équivaut à un million de fois celle du Soleil, ou davantage. Il est plutôt surprenant de constater que des objets aussi denses ont eu le temps de se développer alors que l’univers était encore jeune. En étudiant un trou noir supermassif en particulier, les scientifiques semblent avoir trouvé une explication à ce paradoxe : en présence de deux disques de gaz qui tournent dans des directions opposées, la matière tomberait plus rapidement dans le trou noir (que lorsqu’il n’y a qu’un seul disque en rotation). « Cela pourrait être un moyen par lequel un trou noir peut se développer rapidement », commente Violette Impellizzeri, astronome à l’Observatoire de radioastronomie (NRAO) et co-autrice de l’étude, citée dans le communiqué.

Les scientifiques se sont intéressées à la galaxie Messier 77 (M77 ou NGC 1068), logée dans la constellation de la Baleine. Elle est située à 45 millions d’années-lumière de la Terre. Comme l’indique la Nasa, il s’agit d’une galaxie de Seyfert, dont le centre est intensément actif. Sa lumière visible est dissimulée par un nuage de gaz et de poussières. Ce nuage poussiéreux prend la forme d’un tore (comme un beignet avec un trou au milieu). Il entoure le trou noir central de la galaxie et son disque d’accrétion (pour rappel, on suppose que toutes les galaxies actives possèdent en leur centre un trou noir supermassif). En étudiant le cœur de M77, les chercheurs ont découvert non pas un, mais « deux disques imbriqués en rotation ».

La présence des deux disques n’est pas le seul élément surprenant. « Le disque externe […] effectue une rotation dans le sens contraire par rapport au disque interne », constatent les scientifiques. Dans leur étude, ils émettent l’hypothèse que le disque externe s’est créé à partir de gaz qui a été apporté récemment dans l’environnement du trou noir. Il pourrait venir d’un « nuage errant tombé de la galaxie hôte » ou d’ « une galaxie naine capturée ». Toujours est-il que l’instabilité des disques externe et interne, qui tournent dans des directions opposées, peut accroître le taux d’accrétion du trou noir. C’est ainsi qu’il pourrait grandir bien plus vite que prévu.

Les deux disques de gaz qui tournent dans des directions opposées autour du trou noir de NGC 1068.

Source : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), V. Impellizzeri; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello (photo recadrée)

Que se passera-t-il quand l’orbite du disque externe ne sera plus stable ?

Pour observer la galaxie Messier 77, les scientifiques ont utilisé le Grand réseau d’antennes millimétriques/submillimétriques de l’Atacama, un radiotélescope plus connu sous le nom ALMA. Il est installé dans le désert d’Atacama, au Chili. À plusieurs reprises en octobre 2017, les chercheurs ont observé l’étrange nuage de poussière entourant le trou noir supermassif au centre de la galaxie. Ils ont mesuré les mouvements du gaz et découvert l’existence des deux disques distincts. Le disque interne s’étale sur 2 à 4 années-lumière et tourne dans le même sens que la galaxie. Le disque externe s’étend sur 4 à 22 années-lumière et tourne dans l’autre sens.

Pour l’heure, le disque situé le plus à l’extérieur semble avoir une orbite stable. Il est fort probable que la situation change : le disque externe pourrait commencer à s’effondrer sur le disque interne, ce qui rendra les deux flux de gaz très instables. Ils s’effondreront lors d’un événement très lumineux et le gaz tombera dans le trou noir. Néanmoins, comme le souligne Jack Gallimore, professeur de physique à l’université Bucknell et co-auteur de l’étude, « nous ne serons pas là pour être témoins du feu d’artifice ».