Le secret des quasars primordiaux enfin élucidé

Récemment, le journal Nature a présenté une étude réalisée par des astrophysiciens de l’Université de Portsmouth, en Angleterre, qui a permis de lever le voile sur un mystère vieux de deux décennies : l’origine des quasars, ces sources de lumière presque stellaires qui se sont formées durant les premières ères cosmiques. Il semblerait que des gaz froids intenses présents dans l’Univers naissant soient à la source de ces phénomènes extraordinaires.

La nature et l’importance des quasars

Les quasars représentent les objets célestes les plus brillants que nous connaissions. On les définit comme des trous noirs supermassifs, aux masses colossales pouvant s’étendre d’un million à plusieurs milliards de fois la masse solaire, au cœur desquels s’accrètent de la matière à une vitesse vertigineuse générant une chaleur extrême et, par conséquent, un rayonnement intense. Par exemple, au cœur de la galaxie Holmberg 15A trône un trou noir dont la masse est estimée à 40 milliards de fois celle de notre propre étoile.

Définition détaillée d’un quasar

Un quasar s’articule autour d’un trou noir supermassif. Il est entouré d’un disque d’accrétion en spirale constitué de gaz et de poussières. C’est le frottement de ces matières en rotation rapide qui engendre une température suffisante pour qu’elles émettent une quantité significative de lumière. On distingue également, perpendiculaires à ce disque, des jets de gaz expulsés à une vitesse proche de celle de la lumière.

Comprendre l’origine des quasars

Avant cette percée scientifique, la communauté astronomique s’interrogeait sur les mécanismes de formation des quasars, notamment ceux apparus il y a moins d’un milliard d’années post-Big Bang, un intervalle considéré comme relativement bref à l’échelle cosmique. Dès 2003, l’existence de tels quasars a été mise en évidence, mais leur formation demeurait un mystère.

Le Professeur D.J. Whalen, de l’Université de Vienne et collaborateur de l’étude, explique que l’on trouve couramment des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies les plus massives. Mais la découverte de quasars anciens posait question quant à leur genèse rapide et précoce.

Des recherches antérieures et des modélisations virtuelles avaient suggéré qu’un environnement de gaz froids aurait favorisé la formation des premiers quasars par l’assemblage de gaz stellaires au sein de réservoirs spatiaux où ils pourraient se refroidir. On pensait alors qu’il était nécessaire qu’un trou noir initial atteigne au moins 100 000 masses solaires pour aboutir à la formation d’un quasar dans l’Univers primitif.

De la formation d’étoiles supermassives à la naissance de quasars

Il fut un temps où l’on considérait que les étoiles primitives supermassives, de l’ordre de 10 000 à 100 000 masses solaires, se formaient sous l’influence de rayonnements ultraviolets et de flux de gaz supersoniques. Ces astres géants s’effondraient rapidement en trous noirs. Les récentes simulations informatiques révèlent que de conséquents flux de gaz froids et denses ont pu engendrer des étoiles encore plus massives, qui se sont elles-mêmes effondrées pour former des trous noirs supermassifs en l’espace de quelques centaines de millions d’années seulement.

Ces vastes réservoirs de gaz froids primordiaux ont donc été le creuset à partir duquel les premiers quasars ont émergé, conséquence de l’effondrement des étoiles originelles de l’Univers. Selon le professeur Whalen, ces trous noirs primitifs n’étaient rien d’autre que le produit naturel de la formation de structures cosmologiques issues de la matière noire froide, les “enfants de la toile cosmique”.

Source : Latif, M.A., Whalen, D.J., Khochfar, S. et al., “Turbulent cold flows gave birth to the first quasars”, Nature, 607, 48–51 (2022), https://doi.org/10.1038/s41586-022-04813-y

Article initialement publié en février 2023