Repérée au radiotélescope, une toute petite galaxie abrite très probablement un trou noir supermassif. Ce qui accrédite le scénario de trous noirs non plus seulement destructeurs mais capables d'engendrer étoiles et galaxies.

En avril dernier, notre dossier de "une" évoquait une thèse qui est en train de chambouler l'histoire de l'Univers : les plus massifs des trous noirs, que l'on croyait être apparus au centre des galaxies après que celles-ci se sont formées, en seraient au contraire à l'origine. Car aussi incroyable que cela puisse paraître, ces astres ont beau être des monstres destructeurs - leur pouvoir gravitationnel est tel qu'ils absorbent toute matière qui passe à leur portée, y compris la lumière -, ils pourraient également être des entités créatrices : en recrachant, sous forme de jets ultrapuissants, une partie de la matière qu'ils attirent, ils "sculpteraient" les galaxies tout autour d'eux.

LA THÉORIE PRISE EN DÉFAUT

Or, un groupe d'astronomes américains de l'université de Virginie vient d'annoncer une découverte qui corrobore ce nouveau scénario : ils ont observé, avec le radiotélescope américain Very Large Array, la galaxie Henize 2-10, une galaxie naine d'à peine 3000 années-lumière d'envergure (notre Voie lactée en fait 100.000). Et cette toute petite galaxie abrite une source radio très compacte : très probablement un trou noir supermassif.
À 30 millions de kilomètres de la Terre, la galaxie naine Henize 2-10 abrite certainement un trou noir supermassif, à l'origine de cette flambée d'étoiles naissantes (en rose, au centre ->).
Une petite galaxie avec un gros trou noir ? Bizarre... car jusqu'ici, les astrophysiciens constataient toujours une corrélation entre les galaxies et leur trou noir : la masse de leurs bulbes stellaires (la partie centrale) vaut habituellement 500 à 1000 fois celle de leur trou noir. Une corrélation qui leur faisait d'ailleurs supposer que les trous noirs grossissaient au fur et à mesure de la croissance des galaxies, lors des collisions qu'elles subissent avec leurs congénères. Mais, comme le souligne Alain Blanchard, de l'Observatoire Midi-Pyrénées, Henize 2-10 est "toute petite". Elle ne colle donc pas avec la théorie... Et pour David Elbaz, défenseur du nouveau scénario, "cette découverte, avec d'autres, suggère que les trous noirs ne sont pas l'aboutissement d'une évolution au cours de laquelle ils agiraient pour éteindre la formation d'étoiles dans les galaxies, comme le pense une large partie de la communauté scientifique. Au contraire, si les trous noirs sont présents en début d'évolution des galaxies, alors ils ont pu jouer un rôle clé dans l'histoire de leur formation". Sans compter que les astrophysiciens américains ont aussi observé des flambées de naissances d'étoiles pile dans les directions des deux jets de matière crachés par le trou noir d'Henize 2-10... L'hypothèse des trous noirs créateurs d'étoiles et de galaxies prend décidément du galon.

Savons-nous vraiment comment une étoile vit et meurt ? Pas si sûr. Car voilà que la mesure de la masse d'un trou noir situé à l'extérieur de notre galaxie vient de remettre en cause les théories standard de l'évolution stellaire.

Grâce aux observations combinées de l'observatoire spatial à rayons X Chandra et du télescope Gemini à Hawaï, une équipe d'astrophysiciens a estimé que la masse de ce trou noir, situé à 3 millions d'années-lumière de la Terre, représente 15,7 fois celle de notre Soleil. Soit le trou noir stellaire le plus massif connu jusqu'à présent ! Cet énorme trou noir tourne autour d'une étoile très proche, 70 fois plus lourde que le Soleil. D'après les modèles usuels, une telle configuration devrait conduire à d'importantes pertes de matière pour l'étoile, ce qui n'est pas le cas. Pis, l'existence d'un trou noir de cette masse semble improbable. Jusque-là, on ne savait mesurer que la masse des trous noirs de la Voie lactée. Or ce nouveau résultat, obtenu par une technique d'observation inédite, ouvre le champ d'investigation à d'autres galaxies... De quoi réviser ce que l'on pensait savoir du destin des étoiles.

Comme deux épines dans le pied des astronomes, deux galaxies mettent en danger toute la théorie sur la formation des trous noirs massifs.

Exploitant les mesures du télescope Spitzer, Shobita Satyapal de l'université George-Mason (Etats-Unis) et son équipe ont montré que la masse du trou noir central de la galaxie spirale NGC 3621 était comprise entre 4000 et 1 million de fois la masse solaire. Or, le trou noir de cette petite galaxie au bulbe central presque inexistant ne devrait pas dépasser quelques dizaines de masses solaires ! En effet selon la théorie, pour une galaxie, petit bulbe signifie petit trou noir. Au centre des galaxies spirales, le bulbe est constitué des étoiles les plus vieilles et c'est sa masse qui commande la taille du trou noir. En théorie seulement... car NGC 3621 est la deuxième galaxie spirale sans bulbe au centre de laquelle on a détecté un trou noir massif. La première, NGC 4395, abriterait un trou noir de 100.000 masses solaires. Mais alors, sous l'influence de quelle masse se seraient formés ces trous noirs ? Le mystère reste entier. Shobita Satyapal avance l'hypothèse de la matière noire... Pour trancher les astronomes devront attendre de nouvelles mesures de Spitzer.

Plus les astronomes se rapprochent du big bang, plus ils sont perplexes. En observant de plus en plus loin dans l'univers, ils s'approchent en effet de son origine, qui selon la théorie standard, remonte à 13,7 milliards d'années.

Dans cette zone, ils devraient ainsi observer des "bébés" galaxies, jeunes, donc petites et compactes, issues du gaz brulant et homogène de l'explosion primordiale. Or, ce schéma est régulièrement contredit par les observations. La dernière en date est japonaise : Tomotsugu Goto, avec le télescope géant Subaru, installé à Hawaï, a découvert une galaxie anormalement massive et évoluée.
SDSSJ084119 se situe à 12,7 milliards d'années-lumière, nous la voyons donc telle qu'elle existait seulement 1 milliard d'années après le big bang. Problème : un trou noir géant, d'une masse de 2 milliards de masses solaires, trône au coeur de cette galaxie ! Or, pour Tomotsugu Goto, "il n'existe pas de modèle de formation des trous noirs massifs dans un laps de temps aussi court". De quoi ravir les derniers opposants à la théorie du big bang.

En repérant dans le cosmos une immense zone sans gaz ni matière, des astronomes ont levé un drôle de lièvre. Car un tel vide met à mal la théorie du big bang.

C'est-à-dire sans étoiles, sans gaz, sans même une once de matière sombre, cette matière qui se dérobe aux observations mais qu'on peut quand même identifier grâce à ses effets dynamiques.

Bref, une gigantesque bulle de vide. Voilà ce que pense avoir repéré, entre 6 et 10 milliards d'années-lumière de nous, dans la direction de la constellation de l'Eridan, une équipe d'astrophysiciens de l'université du Minnesota, menée par Lawrence Rudnick.

Certes, des zones de vide dans l'Univers, les cosmologistes en avaient déjà détecté plusieurs centaines (Une gigantesque bulle d'Univers sans galaxies ->). Mais cette fois, il s'agit d'un vide hors norme : une zone large d'un milliard d'années-lumière, soit l'équivalent de 10.000 Voies lactées placées côte à côte ! Sans aucun doute la première "friche cosmique" du genre, qui n'avait qu'une infime probabilité d'exister. Alors, mirage, ou découverte qui risque de bouleverser notre conception de l'Univers ? Pour l'instant, le mystère reste entier. Mais désormais, la question se pose. Cette zone, Lawrence Rudnick et son équipe connaissaient sa présence et sa localisation d'après l'analyse du rayonnement cosmologique fossile, cette première lueur de l'Univers émise quelque 380.000 ans après le big bang, quand les premiers photons - les particules de lumière - parvinrent tout juste à se libérer de la soupe primordiale de particules, pour se propager librement dans l'espace. Aujourd'hui encore, nous baignons dans ce rayonnement qui nous arrive continuellemeut de toutes les directions du ciel, après avoir voyagé pendant plus de 13 milliards d'années. Précieux, ce rayonnement l'est à plus d'un titre. D'abord, parce qu'il constitue l'un des piliers de la théone du big bang, qui l'avait prévu avant qu'il soit découvert presque par hasard en 1965 par les Américains Arno Penzias et Robert Wilson. Mais aussi parce qu'il offre d'inestimables renseignements sur l'Univers tel que celui-ci existait juste après le big bang, ainsi que sur toutes les régions de l'espace que le rayonnement a traversées depuis, et dont il a gardé les empreintes. En effet, la température de ce rayonnement micro-onde fluctue très légèrement autour de 2,7 kelvins (soit -270,45°C), de quelques millionièmes de kelvin à quelques dizaines de microkelvins. Or, ces infimes fluctuations peuvent avoir deux origines : soit elles sont "primordiales", c'est-à-dlire présentes dans le rayonnement dès le départ ; soit elles traduisent les perturbations que subissent les photons du rayonnement cosmologique au cours de leur trajet jusqu'à nous, perturbations causées par les différents obstacles (comme les concentrations de matière, amas de galaxies, ou, au contraire, les très grandes zones de vide). Le jeu consiste donc, pour les cosmologistes, à faire la différence entre ce qui provient du rayonnement primordial et ce qui provient de la portion d'Univers traversée, en s'aidant du modèle théorique du big bang.

Fluctuations primordiales : ce sont les infimes variations de température - naturellement présentes dans le rayonnement cosmologique fossile, cette image de l'univers qui date de 380.000 ans après le big bang. Ces petites vaguelettes témoignent des premiers "grumeaux" de densité de matière dans l'univers, qui donneront naissance, sous l'effet de la gravitation, aux galaxies.

UNE MYSTÉRIEUSE ZONE FROIDE

C'est ainsi qu'en 2004, en analysant les données du satellite américain WMAP, qui a dressé la carte la plus précise à ce jour du rayonnement fossile, une équipe d'astrophysiciens de l'Instituto de Fisica de Cantabria, à Santander en Espagne, menée par Patricio Vielva, découvre une anomalie de quelques dizaines de microkelvins qui sera rapidement surnommée le point froid de WMAP". Il s'agit d'une zone froide inédite car trop étendue (elle s'étend sur 10° du ciel, soit l'équivalent de 20 pleines lunes placées côte à côte) pour correspondre à une fluctuation primordiale, d'après le modèle du big bang. Mais alors, quelle est l'origine de ce grand froid ? C'est le trio de radioastronomes américains mené par Lawreuce Rudnick qui va finalement trouver la réponse, en se plongeant dans l'analyse de relevés radio réalisés à travers l'interféromètre du Very Large Array (VLA), situé au Nouveau-Mexique.
L'idée : chercher si, en observant le ciel dans une autre longueur d'onde que celle du rayonnement cosmologique, on ne verrait pas une anomalie au même endroit. Bingo ! Dans la direction du mystérieux spot froid de WMAP, les données du VLA indiquent un déficit de sources radio par rapport au reste du ciel. Un sérieux indice que la région serait vide de matière, comme la présence du point froid semblait déjà le suggérer. Lawrence Rudnick commente : "Selon nous, l'explication la plus simple à la fois au déficit de sources radio du VLA et au point froid de WMAP est un gigantesque vide qui se manifeste physiquement par l'intermédiaire de l'effet Sachs-Wolfe intégré". L'effet Sachs-Wolfe ? Il s'agit d'un effet physique provoqué par une grande concentration de matière ou, au contraire, de vide située sur le trajet du rayonnement. Car de la même manière qu'une boule placée sur un drap tendu déforme la toile autour d'elle, une concentration de matière va creuser l'espace autour d'elle.

DE NOUVELLES OBSERVATIONS

Pour la zone de vide, c'est l'inverse, comme l'explique l'astrophysicien : "Il faut s'imaginer la zone de vide comme une colline que le photon du rayonnement de fond cosmologique aurait à grimper pour sortir des vallées voisines dans lesquelles il y a beaucoup de matière. À cause de l'accélération de l'expansion de l'Univers, les pentes des collines et les vallées s'adoucissent avec le temps. Donc, lorsqu'ils passent dans une grande région de vide, les photons vont utiliser plus d'énergie en grimpant la colline qu'ils ne vont en récupérer en la descendant." Au final, les photons du rayonnement de fond cosmologique qui traversent une telle zone de vide vont donc perdre de l'énergie et ainsi apparaître plus froids.
Reste à savoir où se situe ce vide, et quelle taille il a. C'est là qu'interviennent les simulations informatiques, au surprenant résultat. En effet, après avoir incorporé dans leurs modèles cosmologiques à la fois les données radio du VLA et les données micro-ondes de WMAP, Lawrence Rudnick et ses collègues vont tomber des nues en découvrant le verdict de leurs simulations : pour être compatible avec toutes les données, la bulle de vide doit se situer à une distance comprise entre 6 et 10 milliards d'années-lumière et s'étendre sur pas moins d'un milliard d'années-lumière ! Il s'agit donc d'un vide immense, qui fait désordre. Car, du propre aveu de Lawrence Rudnick, "en utilisant les observations et les simulations actuelles qui décrivent le nombre de vides dans l'Univers visible en fonction de leur taille, nous avons calculé qu'il y avait moins d'une chance sur 10 000 que nous trouvions un vide aussi grand. Soit c'est un coup de chance incroyable, soit nous devons complètement revoir nos théories sur la formation des grandes structures de l'Univers".
Les physiciens vont-ils devoir réécrire l'histoire des débuts de l'Univers pour arriver à justifier l'existence d'un tel vide cosmique ? François Bouchet de l'Institut d'astrophysique de Paris, se veut ici prudent : "Cette étude est très intéressante car elle montre bien qu'il se passe quelque chose dans cette direction. Mais conclure qu'il n'y a pas du tout de matière dans cette zone semble un peu rapide. Il va falloir effectuer de nouvelles observations pour s'en assurer. Comment ? À l'aide d'autres relevés radio ou infrarouges qui traquent la moindre trace de matière. Mais également grâce à la future mission européenne Planck, un satellite qui sera lancé à l'été 2008, et qui sera chargé de mesurer encore plus précisément et dans toutes ses subtilités le rayonnement de fond cosmologique. Ce qui devrait permettre aux scientifiques de déterminer l'origine du fameux "point froid". Car même s'il n'y avait pas d'immense vide dans l'Univers, il reste tout de même... un grand froid.

FAUT-IL REVOIR TOUT LE MODÈLE DU BIG BANG ?

L'univers observable est homogène et isotrope. C'est-à-dire qu'à grande échelle - sur plusieurs milliards d'années-lumière - les astrophysiciens observent les mêmes types de structures (amas de galaxies regroupés en longs filaments de matière), quelle que soit la direction dans laquelle ils regardent. D'ailleurs, dans le modèle cosmologique standard qui décrit l'évolution de l'Univers depuis le big bang, il y a 13,7 milliards d'années, on ne trouve aucune trace d'une bulle de vide qui ferait un milliard d'années-lumière de diamètre. Selon Patricio Vielva, astrophysicien à l'lnstituto de Fisica de Cantabria à Santander (Espagne), "si la présence de cette bulle de vide s'avérait exacte, alors il faudrait revoir le modèle standard qui établit la distribution statistique de la densité de matière dans l'univers". Et plus précisément, selon l'astrophysicien auteur de la découverte du fameux point froid, "il faudrait remettre en cause le scénario de l'inflation qui décrit les premiers instants de l'Univers". Un scénario qui explique comment l'univers a grossi d'un facteur gigantesque - au moins 10 - en un temps infiniment bref - dix secondes - dans les premiers instants de son existence, et qui avait justement été élaboré au début des années 1980 pour expliquer l'homogénéité et l'isotropie de l'univers observable...