En théorie, plus un trou noir supermassif accrète de matière, plus il en repousse, jusqu'à se couper lui-même de tout carburant et cesser de grandir. C'est pourtant le contraire que l'on observe grâce au télescope spatial James Webb. Un paradoxe astrophysique qui vient enfin de trouver son dénouement, grâce… à James Webb.
Au cœur de chaque grande galaxie se trouve forcément un trou noir supermassif ; chez nous, dans la Voie Lactée, il s'agit du très célèbre Sagittarius A*, dont la taille du disque d'accrétion a récemment été réévaluée. S'il est plutôt paisible, certains autres sont beaucoup plus voraces que lui et croissent avec une rapidité déconcertante à force d'engloutir ce qui les entoure. James Webb en a déjà identifié plusieurs, déjà démesurés, alors, qu'en théorie, ils ne devraient pas avoir eu le temps d'atteindre une telle taille si tôt dans l'histoire du cosmos.
En effet, pour qu'un trou noir atteigne des millions, voire des milliards de masses solaires, il ne peut suivre que deux voies différentes : en aspirant la matière qui l'entoure (l'accrétion), ou en fusionnant avec ses semblables lorsque deux galaxies entrent en collision. Deux mécanismes d'une lenteur prodigieuse, qui exigent chacun au bas mot un milliard d'années. Parmi les trous noirs de gabarit anormal repérés par James Webb, certains étaient déjà des mastodontes alors que l'Univers était âgé de moins d'un milliard d'années. Que diriez-vous si vous trouviez un chêne centenaire, au lendemain d'une après-midi de jardinage où vous aviez planté de jeunes arbrisseaux ? C'est à peu près le sentiment qui a dû habiter les astrophysiciens lors de cette découverte.
Comment ces géants ont-ils pu croître aussi rapidement ? Une équipe internationale menée par Julie Hlavacek-Larrondo (Université de Montréal) vient tout juste d'apporter un début de réponse, publié le 16 juillet dans la revue The Astrophysical Journal Letters.
Des géants pris à leur propre piège
Comme expliqué précedemment, certains trous noirs supermassifs demeurent relativement inertes ; d'autres, au contraire, accrètent la matière à un rythme si intense que la friction de leur disque tournoyant porte le gaz à des températures extrêmes et fait rayonner tout le centre galactique : les astronomes parlent alors de « noyau actif de galaxie » (AGN). Ils projettent alors par leurs pôles de puissants jets de particules qui expulsent le gaz et la poussière loin de leur galaxie hôte. En dispersant ainsi les matériaux dont les étoiles ont besoin pour se former, le trou noir assèche non seulement la pouponnière stellaire de sa galaxie, mais aussi la source même qui alimentait son expansion.
Là se trouve le nœud du paradoxe : plus un trou noir accrète vite, plus il projette loin la matière qui assure sa croissance ; il se prive lui-même de carburant à mesure que son gabarit augmente, mais il ne s'éteint pas. Dès lors, comment certains de ces monstres ont-ils pu atteindre des masses si démentielles en un temps record ? Bien avant ces observations, une hypothèse avait été échafaudée : le gaz, une fois écarté du centre, se refroidirait. Sa température, en baissant, entraînerait une chute de sa vitesse, jusqu'à ce que le gaz devienne trop lent pour continuer à fuir la galaxie. La gravité du trou noir reprendrait alors le dessus et rapatrierait cette matière vers le cœur galactique, où elle formerait autour de l'astre un disque en rotation propre à réenclencher l'accrétion. Une fois réalimenté, le trou noir raviverait ses jets, qui disperseraient de nouveau le gaz, réamorçant la boucle depuis le début : une forme de recyclage, qui n'avait encore jamais été démontrée.
Le trou noir supermassif qui vit en autarcie totale
Une théorie orpheline de preuve, puisqu'à aucun moment ce phénomène de recyclage n'avait pu être observé. L'équipe à l'origine de cette nouvelle étude, pour la confirmer, a braqué James Webb sur une cible relativement proche à l'échelle cosmique : NGC 4696, la galaxie centrale de l'amas du Centaure, à quelque 145 millions d'années-lumière de la Terre.
Des années plus tôt, Hubble avait déjà flairé une anomalie à cet endroit : une volute de gaz recourbée en forme de crochet, blottie tout près du trou noir central. Le vénérable télescope avait su repérer la structure, mais sa vision ne lui permettait pas d'en percer la nature ni d'expliquer sa présence. Webb a ainsi repris le flambeau et cartographié en détail les flux gazeux qui parcourent le cœur galactique. Très sensible aux infrarouges, il peut percer les voiles de poussière et détecter les gaz froids que son aîné ne pouvait discerner : raison pour laquelle il peut suivre à la trace la matière en train de retomber vers le trou noir de NGC 4696.
La structure en crochet détecté par Hubble s'étend sur près de 800 années-lumière, et le gaz qui la compose file à quelque 600 km/s, soit plus de 2 millions de km/h. Fait déterminant, ce tourbillon paraît se prolonger en un immense filament de matière qui plonge vers le trou noir : c'était l'élément qui manquait à l'appel pour confirmer la théorie du recyclage. Fins rubans de gaz refroidi, ils agissent comme des conduits : ils ramènent vers le centre galactique toute la matière qui avait été chassée par les jets. Une fois arrivée au plus près du trou noir, cette matière s'enroule en un disque tournoyant qui l'alimente de nouveau, rallumant le processus d'accrétion.
Plusieurs théoriciens avaient déjà posé les bases du cycle de rétroaction observé dans la galaxie NGC 4696 : en 1998, le cosmologiste Joseph Silk et le professeur d'astronomie Martin Rees avaient avancé l'idée qu'un trou noir pouvait réguler lui-même la croissance de sa galaxie. Une hypothèse confirmée en 2005, par l'astrophysicienne Tiziana Di Matteo, qui, avec son équipe, avait reproduit ce mécanisme d'autorégulation grâce à des simulations numériques. Il ne manquait plus que la preuve observationnelle pour le valider définitivement, apportée une fois de plus par James Webb. Toutefois, il n'est pas encore certain que tous les trous noirs supermassifs connaissent le même sort ; il faudra encore le débusquer dans d'autres galaxies, et surtout parmi les monstres de l'univers primitif découverts par Webb. Ce sont finalement eux qui auront déclenché cette grande investigation ; peut-être refermeront-ils pour de bon ce quart de siècle d'interrogations ?
