Le trou noir le plus éloigné jamais observé se trouve dans une galaxie située à plus de 13,3 milliards d’années-lumière de nous, ce qui correspond à une époque où l’univers n’avait que 500 millions d’années après le Big Bang.
Il s’agit d’un trou noir supermassif dissimulé dans une galaxie plutôt petite, brillante et située à des distances extrêmes. Un signal en provenance d’une période où l’univers venait tout juste de naître. C’est cette découverte exceptionnelle qu’a annoncée une collaboration internationale d’astronomes, dirigée par le Cosmic Frontier Center de l’Université du Texas à Austin : le trou noir le plus lointain confirmé à ce jour.
Où se trouve-t-il ? La galaxie qui l’abrite porte le nom de CAPERS-LRD-z9. Elle est située à plus de 13,3 milliards d’années-lumière de notre position, ce que nous observons en tant que quand elle avait à peine 500 millions d’années après le Big Bang. Une période où l’univers était encore dans sa « jeune » phase, avec seulement 3 % de son âge actuel, et immergé dans ce qu’on appelle communément « l’âge sombre » de l’univers.
La découverte a été publiée dans la revue The Astrophysical Journal et s’inscrit dans le cadre du programme CAPERS (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey). Ce programme a été conçu pour identifier et étudier les galaxies les plus anciennes et éloignées jamais détectées. « Le principal objectif de CAPERS était justement de confirmer et d’étudier ces galaxies extrêmes », explique Mark Dickinson, co-auteur de l’étude et responsable de l’équipe. « La spectroscopie réalisée par le James Webb Space Telescope (JWST) est essentielle pour mesurer leur distance et découvrir leurs propriétés physiques. »
Une nouvelle catégorie de galaxies. Au début, CAPERS-LRD-z9 semblait n’être qu’un faible point lumineux dans les images du télescope James Webb. Mais derrière cette toute petite lumière se cachait quelque chose d’inédit : une galaxie appartenant à une nouvelle classe, surnommée « Petits Puntins Rouges » (Little Red Dots).
Ce sont des galaxies ultra-compacts, de couleur rouge et d’une luminosité exceptionnelle, visibles uniquement durant les premiers 1,5 milliard d’années de l’univers. « La découverte de ces Petits Puntins Rouges a été une grande surprise : dans les données initiales du JWST, ils ne ressemblaient en rien aux galaxies observées avec le télescope Hubble », raconte Steven Finkelstein, directeur du Cosmic Frontier Center. « Nous étudions désormais leur luminosité pour comprendre d’où elle provient, ainsi que leur mode de formation. CAPERS-LRD-z9 pourrait détenir la clé de ces mystères. »
Une petite galaxie, un trou noir énorme. Ce qui rend CAPERS-LRD-z9 si remarquable, c’est la présence d’un trou noir supermassif capable d’émettre suffisamment de lumière pour expliquer celle de ces mystérieux petits points rouges. À cette époque si lointaine, il n’y aurait pas eu assez de temps pour former de vastes populations stellaires. Pourtant, les trous noirs peuvent briller de façon plus intense que les étoiles : en ingérant du gaz et de la poussière, ils compressent et chauffent la matière, générant ainsi d’énormes quantités de lumière et de rayonnements.
« Cette galaxie », explique Anthony Taylor, le premier auteur de l’étude, « pourrait également expliquer leur couleur rouge caractéristique, causée par une épaisse couche de gaz entourant le trou noir, qui déplace la lumière vers les longueurs d’onde plus rouges. »
Taylor ajoute que lorsqu’on compare CAPERS-LRD-z9 avec d’autres objets connus, une signature spectrale similaire apparaît : « Nous avons déjà observé ces nuages dans d’autres galaxies. En comparant cet objet avec ces autres sources, nous nous sommes rendu compte que c’était le même phénomène. »
Un colosse. Mais ce qui est encore plus impressionnant, c’est la taille du trou noir découvert. Selon les estimations, sa masse pourrait atteindre 300 millions de fois celle du Soleil — soit près de la moitié de la masse totale de la galaxie qui l’héberge. Un chiffre extraordinaire, particulièrement pour une galaxie aussi jeune.
« Cela renforce l’hypothèse que les premiers trous noirs se seraient formés et auraient croître bien plus rapidement qu’on ne le pensait », souligne Finkelstein. « Soit ils étaient initialement beaucoup plus massifs que nos modèles ne le suggèrent. »
L’univers primordial. Pour confirmer la présence de ce trou noir, les astronomes ont utilisé la spectroscopie du James Webb Space Telescope, en décomposant la lumière en toutes ses longueurs d’onde. Ils ont notamment recherché la signature spécifique du gaz en mouvement rapide : lorsque le gaz tourne et s’effondre vers un trou noir, il émet de la lumière déformée vers le rouge (lorsqu’il s’éloigne) ou vers le bleu (lorsqu’il se rapproche). « Peu d’autres objets dans l’univers peuvent produire une telle signature », explique Taylor. « Et cette galaxie possède cette caractéristique. »
Ce n’est que le début. Le groupe prévoit désormais de réaliser des observations encore plus détaillées avec le télescope spatial James Webb, afin d’étudier l’évolution de nombreux autres trous noirs dans les périodes les plus reculées de l’univers. « Jusqu’à récemment, nous ne pouvions même pas observer la naissance initiale de ces trous noirs. Maintenant, nous avons hâte d’en apprendre davantage sur cette galaxie exceptionnelle, ainsi que sur celles que nous étudierons par la suite », conclut Taylor.
Il existe d’ailleurs d’autres candidates encore plus lointaines que ce trou noir, mais aucune ne montre encore la signature spectrale indiscutable d’un trou noir. Avec CAPERS-LRD-z9, les astronomes viennent de réaliser une avancée capitale. Et peut-être, en scrutant ce petit point rouge perdu dans l’obscurité cosmique, assistons-nous à la naissance des premiers géants de l’univers.
