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Les "petits points rouges" sont des objets énigmatiques de l'Univers jeune. Jusqu'à présent, les estimations indirectes de la masse des trous noirs qu'ils contiennent reposaient sur des hypothèses locales, vivement débattues. Mais une nouvelle étude parue dans Nature a utilisé une méthode directe: la spectroastrométrie, qui mesure les déplacements du gaz en orbite pour peser le trou noir central.
La technique utilisée exploite le fait que le gaz tourne d'autant plus vite qu'il est proche du trou noir. En analysant les raies d'hydrogène avec le spectrographe de JWST, les astronomes ont reconstruit la courbe de rotation. Cela a permis d'estimer la masse du trou noir à environ 50 millions de soleils.
En parallèle, la masse totale des étoiles de la galaxie hôte a été évaluée à moins de 20 millions de masses solaires. Le trou noir est donc plus de deux fois plus lourd que sa galaxie. C'est le trou noir "nu" le plus massif jamais observé, indiquant qu'il a grandi avant que sa galaxie ne se forme.
Cette observation contredit le scénario standard où trou noir et galaxie grandissent ensemble. Le trou noir de QSO1 aurait pu se former par effondrement direct d'un nuage de gaz primordial, ou être un trou noir primordial né juste après le Big Bang. Les données actuelles ne permettent pas de trancher.
Les chercheurs envisagent d'étudier d'autres "petits points rouges" pour voir si ce phénomène est général. Cette découverte offre une nouvelle fenêtre sur la formation des premiers trous noirs supermassifs de l'Univers, et pourrait expliquer comment ils ont atteint des masses si élevées si rapidement.
Le grossissement gravitationnel
Ce phénomène se produit lorsqu'un objet massif, comme un amas de galaxies, déforme l'espace-temps autour de lui. La lumière provenant d'une source plus lointaine est alors courbée et amplifiée, comme si elle traversait une loupe. Dans le cas de QSO1, l'amas Abell 2744 a multiplié sa luminosité par six et étiré son image. Cela a permis aux astronomes de détecter des détails infimes que le télescope n'aurait pas pu voir autrement. Le grossissement gravitationnel est un outil naturel précieux pour observer les objets les plus lointains de l'Univers.
Cette technique permet de sonder des régions autrement inaccessibles. En combinant plusieurs images déformées, les chercheurs peuvent reconstruire la structure de la source. Dans cette étude, le grossissement a été essentiel pour mesurer la rotation du gaz autour du trou noir.
Sans ce phénomène, la résolution de JWST n'aurait pas été suffisante pour distinguer les mouvements internes de QSO1.
La spectroastrométrie
Cette méthode permet de mesurer de très petits décalages dans la position d'une source lumineuse à différentes longueurs d'onde. Lorsque du gaz tourne autour d'un trou noir, les raies spectrales se décalent vers le rouge ou le bleu selon que le gaz s'éloigne ou se rapproche de nous. En analysant ces décalages sur l'image, on peut cartographier la vitesse du gaz à différentes distances du centre.
La spectroastrométrie repousse les limites de résolution des télescopes. Elle a permis ici de reconstruire la courbe de rotation du gaz.
Seul un modèle avec un trou noir très massif correspondait aux observations. Cette technique a donc fourni la première mesure directe de la masse d'un trou noir dans un "petit point rouge". Elle ouvre la voie à d'autres études similaires dans l'Univers primordial.