Deux hypothèses concourent pour expliquer l'existence de trous noirs très massifs moins d'un milliard d'années seulement après le Big Bang. Naissent-ils petits puis grossissent-ils très rapidement ou bien naissent-ils déjà gros ? Des chercheurs italiens pensent avoir trouvé un début de réponse.

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Des trous noirs supermassifs, il y en aurait quasiment au cœur de chaque grande galaxie de l'Univers. Beaucoup, comme Sagittarius A*, tapi au centre de la Voie lactée, n'affichent que quelques millions de fois la masse du Soleil et d'autres (le plus souvent au sein de galaxies dominant des superamas) sont hypermassifs : des boulimiques de plusieurs milliards de masses solaires (le record est à 21 milliards).

Tous ont grandi avec leurs galaxies-hôte, se régalant du gaz qu'elles renferment et dévorant des étoiles qui passent par là. Ces trous noirs supermassifs ont bien sûr profité abondamment du cannibalisme galactique, et décuplé leurs pouvoirs d'attraction en fusionnant avec leurs congénères. Il en est ainsi depuis plus de 13 milliards d'années, soit à peu près autant que toute l'histoire de notre Univers.

Mais leur croissance rapide intrigue les astrophysiciens. Comment se fait-il qu'ils soient déjà si gros au sein de jeunes structures galactiques, moins d'un milliard d'années seulement après le Big Bang ? La question est débattue depuis plusieurs années, les chercheurs confrontant divers modèles de développement. Dans un article à paraître dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (et disponible sur arXiv), une équipe italienne dirigée par Fabio Pacucci, de l'École normale supérieure de Pise en Italie, esquisse une réponse convaincante, renforcée par des observations avec trois télescopes spatiaux.

Le profil du nuage de gaz OBJ29323 détecté par Chandra dans le rayonnement X correspond à celui d’une « graine de trou noir supermassif », comme cela est prévu par les modèles. © Nasa, CXC, Scuola Normale Superiore, Pacucci

Les graines de trous noirs supermassifs

La première des deux théories principales suppose que les futurs trous noirs supermassifs ont commencé petits, par effondrement gravitationnel du cœur d'une étoile massive (jusqu'à plusieurs dizaines de masses solaires). Ensuite, ces trous noirs de type stellaire se développent petit à petit en fusionnant avec d'autres de leurs semblables et, bien sûr, en engloutissant de grandes quantités de matière autour d'eux. Il est cependant étonnant qu'ils puissent devenir si gros en si peu de temps...

L'autre piste envisagée - et les recherches dans ce sens sont prometteuses - est qu'ils naissent déjà gros, avec au moins 100.000 masses solaires. Ils auraient en quelque sorte sauté toutes les étapes intermédiaires. Leurs géniteurs, dans un Univers encore très jeune, ne seraient autres que d'imposants nuages de gaz qui s'effondrent sur eux-mêmes.

« Notre travail suggère que nous convergeons sur une réponse, a déclaré à la Nasa, Andrea Ferrara, également de l'École normale supérieure de Pise et coauteure de l'article. Les trous noirs commencent gros et croissent à un taux normal, plutôt que de commencer petit et de croître à un rythme très rapide. »

Des candidats qui ont le bon profil

Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour débusquer au sein des sondages du ciel profond réalisé dans plusieurs longueurs d'onde avec les télescopes spatiaux Hubble, Spitzer et Chandra, les objets correspondant au profil prévu par les modèles. « Les graines de trous noirs sont extrêmement difficiles à trouver et confirmer leur détection est très dur, a indiqué Andrea Grazian, de l'Institut nationale d'astrophysique en Italie, coauteure. Cependant, nous pensons que notre recherche a mis au jour les deux meilleurs candidats. » Pour l'instant, leurs empreintes dans les rayonnements infrarouge et X sont en accord avec ce qui est attendu.

Les astrophysiciens restent prudents : « nous ne pouvons pas encore dire, au stade actuel, que notre modèle est le bon, a souligné l'auteur principal de l'étude. Ce que nous croyons vraiment est que notre modèle est capable de reproduire les observations sans exiger d'hypothèses déraisonnables ». Il va falloir maintenant trouver d'autres objets candidats et deviser leurs propriétés. Dans un futur proche, les télescopes JWST (James Webb Space Telescope) et E-ELT (European Extremely Large Telescope) seront d'une grande aide pour les débusquer dans les confins de l'univers.