Les Trous noirs liés à la Naissance des étoiles

Conception d’artiste du disque de gaz formant l'étoile - autour du centre de la galaxie hébergeant le quasar PSS J2322+1944. Le disque est approximativement de 13,000 années-lumière de diamètre. Le quasar lumineux, propulsé par l’effondrement de matière dans un trou noir supermassif, est au centre. Crédit : Geraint Lewis, Université de Sydney, NRAO/AUI/NSF

En utilisant le radio télescope à Très Grand Spectre (VLA) de la Fondation Nationale de la Science et aidé par une lentille cosmique géante commodément fournie par la nature, une équipe internationale d'astronomes a découvert qu'une jeune galaxie a un disque central de gaz dans lequel des centaines de nouvelles étoiles naissaient chaque année — au moment où l'Univers n’était seulement qu’à une fraction de son âge actuel.

« Cette vue unique à l’intérieur d’une galaxie jeune et très éloignée, nous donne un aperçu sans précédent du processus qui a produit tant les nombres incroyables d'étoiles que les trous noirs supermassifs dans les galaxies en formation », dit Chris Carilli, de l'Observatoire National de Radio Astronomie (NRAO) à Socorro, NM, chef de l'équipe de recherche. « Ce travail étaye fortement l'idée que les étoiles et les trous noirs sont formés simultanément », a-t-il ajouté. La recherche a été publiée dans l’édition du 4 avril de Science Express.
Les astronomes ont étudié un quasar appelé PSS J2322+1944, approximativement à 12 milliards d’année-lumière de la Terre. Le quasar est un objet extrêmement lumineux propulsé par un trou noir supermassif au cœur d'une galaxie. À la distance de ce quasar, les scientifiques voient l'objet tel qu’il était quand l'Univers était vieux de moins de 2 milliards années, approximativement 15 pour cent de son âge actuel.
La découverte a exigé la grande assistance de la nature. Pour trouver le disque de formation d'étoile, les astronomes ont eu besoin d'observer l'émission radio naturelle de la molécule de monoxyde de carbone (CO), un composant important du gaz qui forme des étoiles. Cependant, cette molécule émet des ondes radio à des fréquences beaucoup plus hautes que le VLA est capable de les réceptionner. À la distance de 12 milliards année-lumière de PSS J2322+1944, cependant, l'expansion de l'Univers a allongé les ondes radio, réduisant leur fréquence. L’émission du CO à 230 GigaHertz a été déplacée à 45 GigaHertz, dans la gamme du VLA.
Cela seul n'était pas assez. La distance qui a rendu possible de recevoir les ondes radio du quasar voulait aussi dire que l'objet était trop loin pour que le VLA puisse discerner le détail exigé pour montrer le disque. Une fois encore, la nature est venue en aide, en fournissant une autre galaxie entre le quasar et la Terre pour former directement une lentille gravitationnelle.
" Ce dont nous avions besoin n'était pas seulement une vieille lentille gravitationnelle, mais un alignement presque parfait du quasar éloigné, une galaxie à mi-distance, et la terre - et « c'est ce que nous avons obtenu », dit Geraint Lewis de l'Université de Sydney en Australie, un autre membre de l'équipe. Avec un tel alignement parfait, l'image du quasar a été déformée en un anneau, appelé Anneau d’Einstein. Les images du VLA étaient les premières à montrer l'Anneau d’Einstein de PSS J2322+1944.
“Nous n'aurions jamais vu le disque de gaz de CO près du centre de cette galaxie sans la lentille gravitationnelle », dit Carilli. « La lentille a augmenté le signal et a magnifié l'image pour révéler la structure du disque d’un détail sans précédent », a-t- il ajouté.
Pendant plusieurs années, les astronomes ont noté que les masses de trous noirs sont directement proportionnelles aux dimensions de protubérances centrales des étoiles dans les galaxies. Cela a mené à la supposition que les formations des trous noirs et des étoiles étaient en rapport les unes avec les autres d'une façon ou d'une autre. Les scientifiques ont supposé que le gaz qui est attiré vers le trou noir central d'une galaxie est le même gaz à partir duquel sont constituées un grand nombre d'étoiles.

Les études de galaxies plus proches ont appuyé une telle supposition, mais la question subsistait de la possibilité d’appliquer l’idée à l'Univers à son tout début, quand les premières galaxies et trous noirs se sont formés.
“Cette nouvelle observation donne un appui solide à l'idée qu’un grand nombre d'étoiles se sont formées dans les jeunes galaxies en même temps que leurs trous noirs centraux attiraient une masse supplémentaire », dit Pierre Cox, de l'Institut pour l’Astrophysique de l'Espace de l'Université de Paris.

Les astronomes croient que les galaxies dans l'Univers à son début ont été fréquemment perturbées par des rencontres rapprochées avec d’autres galaxies, en « nourrissant » le trou noir central avec du gaz. Le gaz a formé un vaste disque, tournant autour du centre de la galaxie, certains tombant finalement tombent dans le trou noir et certains formant de nouvelles étoiles.

Dans PSS J2322+1944, les astronomes croient que les nouvelles étoiles avec une masse totale égale à quelques 900 fois celle du Soleil se formaient dans le disque de 13,000 années-lumière de diamètre chaque année. À ce niveau, disent les scientifiques, la plupart des étoiles dans une grande galaxie elliptique pouvaient se former en seulement approximativement 100 millions d'années.

PSS J2322+1944 est un des quasars les plus lumineux dans l'Univers. Il avait aussi un réservoir énorme de poussière et de gaz moléculaire, le combustible pour la formation d'étoile. L’observation optique à l'Observatoire W.M. Keck de Hawaï a montré une image double qui indique une lentille gravitationnelle. Tous ces facteurs, ont dit les scientifiques, en ont fait un candidat idéal pour l’étude avec le VLA.

« Notre calcul a été généreusement récompensé. Trouver cet Anneau d’Einstein avec le VLA nous a donné l'outil dont nous avions besoin pour voir ce qui se passait à l'intérieur de cette galaxie très éloignée », dit Carilli. « Il y a moins de 100 lentilles gravitationnelles connues aussi éloignées, et nous étions extrêmement chanceux d’en trouver une qui nous a permis d'aider la résolution de la question scientifique précise que nous étudions ».
Les lentilles gravitationnelles ont été prédites, basées sur la Théorie Général de Relativité d’Albert Einstein, en 1919. Einstein lui-même a montré en 1936 qu'une lentille gravitationnelle parfaitement alignée produirait une image circulaire, mais sentait que les chances d'observer réellement un tel objet étaient presque de zéro. La première lentille gravitationnelle a été découverte en 1979, et le premier Anneau d’Einstein a été découvert par les chercheurs qui utilisent le VLA en 1987. PSS J2322+1944 est le premier Anneau d’Einstein détecté à travers la signature de l’émission d'une molécule et le plus éloigné pour l’instant trouvé.

PSS J2322+1944 peut être capable d’apporter une autre contribution à la science. Les astronomes croient que les lentilles gravitationnelles peuvent servir comme outil pour mesurer précisément de grandes distances dans l'Univers. Si un quasar distant varie en luminosité avec le temps, les multiples images formées par une lentille gravitationnelle montreraient une variation à différents moments. En surveillant de telles différences de temps et utilisant un modèle mathématique de la lentille gravitationnelle spécifique, la distance du quasar peut être mesurée.
“Ce quasar, s'il montre des variations de luminosité dans le futur, peut être tel '’une Lentille D'or’’, longtemps recherchée pour affiner notre mesure des très grandes distances », a dit Lewis.

L'Observatoire National de Radio Astronomie est un outil de la Fondation de la Science Nationale, utilisé avec l’accord coopératif des Universités Associées, Inc.