Au cours du premier milliard d’années de l’univers, les vents soufflés par les trous noirs supermassifs au centre des galaxies étaient beaucoup plus fréquents et plus puissants que ceux observés dans les galaxies d’aujourd’hui, quelque 13 milliards d’années plus tard. De tels vents étaient si puissants qu’ils ont ralenti la croissance des trous noirs supermassifs dont ils sont issus. Ce sont les résultats d’une étude menée par trois chercheurs de l’Institut national italien d’astrophysique (INAF) à Trieste, publiés aujourd’hui dans la revue Nature.
Le travail est basé sur les observations de 30 quasars observés avec le Very Large Telescope (VLT) à l’Observatoire Paranal de l’ESO au Chili. Les quasars sont des sources ponctuelles extrêmement lumineuses au cœur des galaxies lointaines, dont l’émission provient de l’activité intense des trous noirs supermassifs centraux aspirant la matière environnante. Les galaxies hôtes de ces quasars ont été observées autour de l’aube cosmique, lorsque l’univers avait entre 500 millions et 1 milliard d’années.
« Pour la première fois, nous avons mesuré la fraction de quasars dans le jeune univers présentant des vents de trou noir », explique Manuela Bischetti, chercheuse à l’INAF à Trieste et première auteure de la nouvelle étude. « Contrairement à ce que nous observons dans l’univers plus proche de nous, nous avons découvert que les vents des trous noirs dans le jeune univers sont très fréquents, ont des vitesses élevées allant jusqu’à 17% de la vitesse de la lumière et injectent de grandes quantités d’énergie dans leur galaxie hôte. «
Environ la moitié des quasars observés dans cette recherche montrent des vents de trou noir, qui sont beaucoup plus fréquents et 20 fois plus puissants que ceux connus dans les quasars du cosmos plus proche lorsque l’univers avait environ 4 milliards d’années.
« Les observations de trous noirs dans le jeune univers montrent qu’ils grandissent beaucoup plus vite que leurs galaxies hôtes, alors que dans l’univers local, on sait que les trous noirs et les galaxies co-évoluent », ajoute la co-auteur Chiara Feruglio, chercheuse INAF à Trieste. « Cela implique qu’un mécanisme doit avoir agi à un moment donné dans l’univers, ralentissant la croissance du trou noir. Nos observations nous ont permis d’identifier ce mécanisme dans les vents du trou noir produits lorsque l’univers avait entre 0,5 et 1 milliard d’années. »
L’énergie injectée par les vents aurait ainsi pu stopper l’accrétion de matière sur le trou noir, ralentir sa croissance et déclencher une phase « d’évolution commune » entre le trou noir et sa galaxie hôte. « Cette étude nous a permis d’identifier l’époque de l’histoire de l’univers au cours de laquelle l’impact des vents des trous noirs a commencé à être significatif », ajoute Bischetti. « Cela a un impact énorme sur notre connaissance des phases initiales de croissance des trous noirs et de leurs galaxies hôtes, imposant de fortes contraintes aux modèles qui décrivent la formation des premières galaxies. »
Découverte totalement inattendue, elle a été rendue possible grâce aux données de haute qualité de l’instrument Xshooter installé sur le VLT dans le cadre d’un vaste programme de l’ESO avec environ 250 heures d’observations.
« Les quasars sont parmi les objets les plus brillants observables dans l’univers primitif, mais en raison de leur distance, ils sont assez faibles en termes de magnitude observée », explique la co-auteure Valentina D’Odorico de l’INAF de Trieste, affiliée à la Scuola Normale Superiore de Pise. et chercheur principal du programme d’observation sur lequel l’étude est basée. « L’important investissement de temps consacré à l’observation de ces objets et les capacités uniques de X-shooter en termes d’efficacité, de couverture de longueur d’onde et de pouvoir de résolution nous ont permis d’obtenir des spectres de très bonne qualité qui ont permis ce résultat intéressant. »
« Nous avons des indications depuis quelques années que des trous noirs 1 milliard de fois plus massifs que le soleil… pourraient lancer des vents puissants qui se déplacent à une vitesse égale à 20% de la vitesse de la lumière dans leur environnement », ajoute Andrea Ferrara. , professeur à la Scuola Normale Superiore (SNS) et co-auteur de l’étude. « Aujourd’hui, nous en avons la confirmation grâce aux données obtenues avec un télescope européen par une équipe à forte empreinte et leadership italiens. Le SNS a contribué du côté de l’interprétation théorique. La découverte de ces vents galactiques spectaculaires à des moments aussi lointains aurait pu a eu des implications énormes et encore inexplorées pour la naissance et l’évolution de galaxies comme la nôtre. Nous aborderons ces questions dans la suite de cette étude. »
Le programme n’avait pas été conçu à l’origine pour cet objectif scientifique, mais pour étudier principalement les gaz intergalactiques dans l’univers primitif. Sur la base d’informations provenant de quasars plus proches, de tels vents étaient considérés comme rares. « Heureusement, disions-nous, parce que ces caractéristiques compliquent la reconstruction de l’émission intrinsèque du quasar, elles n’étaient pas souhaitées par les astronomes de notre collaboration qui étudient le milieu intergalactique le long de la ligne de visée », explique D’Odorico. « De manière inattendue, nous avons trouvé ces vents très courants dans le jeune univers, ce qui a compliqué notre analyse mais nous a offert l’opportunité de découvrir un résultat très important. »
M. Bischetti et al, Suppression de la croissance des trous noirs par de fortes sorties aux décalages vers le rouge 5,8–6,6, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04608-1
Fourni par l’Institut national italien d’astrophysique