Depuis des années, les astronomes pensent qu'une grande population de trous noirs actifs manque dans les observations par rapport aux prévisions théoriques. Grâce aux observations des satellites Spitzer et Chandra de la Nasa dans le cadre du programme GOODS (1), une équipe d'astrophysiciens menée par Emanuele Daddi du laboratoire AIM (CEA, Université Paris Diderot, CNRS) a découvert la présence de plusieurs centaines de quasars, trous noirs énergétiques, cachés au sein de galaxies très poussiéreuses. Ces résultats seront publiés dans la revue Astrophysical Journal du 10 novembre 2007.
Les trous noirs "actifs", dont les plus énergétiques sont des quasars, sont des trous noirs supermassifs entourés d'un nuage de gaz et de poussières en forme d'anneau et se situent au centre d'une galaxie. Le gaz alimente progressivement le trou noir mais en tombant dessus, il s'échauffe et émet du rayonnement X. Ce rayonnement peut parfois être détecté, mais aussi être absorbé par le gaz et les poussières environnantes, rendant le quasar invisible depuis la Terre.
Une équipe d'astrophysiciens menée par Emanuele Daddi du laboratoire AIM a observé, grâce aux satellites Spitzer et Chandra de la Nasa, un millier de galaxies massives lointaines dans lesquelles aucun quasar n'était jusqu'ici connu. Ces galaxies aussi massives que la nôtre, mais distantes de 9 à 11 milliards d'années-lumière de la Terre, sont observées telles qu'elles existaient dans l'Univers jeune âgé de quelques 3 ou 4 milliards d'années (2).
Vue d'artiste d'une galaxie hébergeant un trou noir central super massif.
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Les observations infrarouges du satellite Spitzer ont révélé que 20% des galaxies observées émettent une quantité anormale de rayonnement infrarouge. Le rayonnement X, traqué par le satellite Chandra, n'est pas détecté dans les observations individuelles des galaxies, ce qui laisserait penser qu'elles ne renferment pas de quasar. Par un traitement approprié des données impliquant des superpositions d'images de toutes ces galaxies, il a été possible d'extraire un signal dans leur rayonnement X indiquant la présence de quasars en leur sein. L'explication de cette apparente contradiction : ces galaxies actives de l'Univers jeune sont en fait si poussiéreuses que le rayonnement X de leur quasar est fortement absorbé par les grains de poussières et ne peut pas être détecté dans les observations individuelles. Le rayonnement des quasars chauffe la poussière, qui émet alors l'excès de rayonnement infrarouge détecté dans les observations de Spitzer.
Auparavant, seuls quelques quasars particulièrement énergétiques ou peu absorbés avaient pu être détectés dans l'Univers jeune. Les nouvelles observations impliquent la présence d'un grand nombre (plusieurs centaines de millions) de trous noirs super massifs en phase de croissance dans l'Univers jeune. Ce serait en fait pratiquement toutes les galaxies massives de l'Univers jeune qui alimenteraient des trous noirs super massifs, pendant un ou plusieurs milliards d'années au début de leur existence.
Les quasars nouvellement détectés permettent ainsi de mieux comprendre la formation des galaxies dans l'Univers lointain. Par exemple, les astronomes ont compris que les galaxies forment leurs étoiles en même temps que leur trou noir central "grandit", jusqu'à ce que ce dernier soit si massif qu'il supprime toute formation stellaire. Ces observations indiquent par ailleurs que les collisions entre les galaxies ne joueraient pas un rôle aussi important dans l'évolution des galaxies jeunes que celui qu'on leur attribuait jusqu'à présent. En effet, les collisions de galaxies étaient souvent évoquées comme le mécanisme déclenchant les phases d'activité des quasars. En réalité, un grand nombre de galaxies massives, qu'elles soient ou non en collision, hébergent un quasar.
Légende de l’illustration :
Vue d'artiste d'une galaxie hébergeant un trou noir central super massif.
Le gaz galactique est accrété par le trou noir central, qui devient un quasar actif émettant un intense rayonnement X. Selon le contenu en gaz et poussières de la galaxie, l'angle d'inclinaison sous lequel la galaxie est observée, ce rayonnement peut être absorbé, et donc indétectable depuis la Terre. Mais la poussière chauffée émet alors un intense rayonnement infrarouge : c'est la découverte de ce rayonnement dans les observations du satellite Spitzer qui a révélé la présence d'un grand nombre de trous noirs actifs invisibles jusqu'ici, dans les galaxies les plus jeunes de l'Univers.
Notes :
(1) The Great Observatories Origins Deep Survey, programme d'observation simultanée de deux champs de l'Univers lointain par des satellites de la NASA, de l'ESA, et de télescopes au sol.
(2) Ce décalage est dû à la propagation de la lumière. Compte tenu du temps que met la lumière pour parvenir des galaxies que nous observons dans les régions les plus lointaines de l'Univers, ces galaxies nous apparaissent telles qu'elles étaient il y a une dizaine de milliards d'années, lorsque l'Univers était encore jeune.
