Le télescope spatial Nancy Grace Roman, dont le lancement est prévu le 30 août 2026, détectera des trous noirs supermassifs ayant existé jusqu’à il y a 11 milliards d’années en captant les flashs produits lorsque les trous noirs déchirent des étoiles entières.
De nouvelles recherches publiées le 14 juillet dans The Astrophysical Journal prédisent que le relevé à haute latitude et à variation temporelle de Roman détectera environ 100 événements de disruption de marée (TDE) par an, à des distances bien plus grandes que tout observatoire précédent. Cette capacité permettra aux astronomes de sonder la population de trous noirs supermassifs de l’univers primitif et de tester les théories concurrentes sur la formation de ces géants cosmiques.
« Grâce à la haute sensibilité de Roman, nous pouvons trouver de multiples événements de disruption de marée à des distances plus grandes et à des époques cosmiques plus anciennes que jamais », a déclaré l’auteur principal Mitchell Karmen, étudiant diplômé à l’Université Johns Hopkins et boursier de recherche diplômé de la NSF.
Comment fonctionnent les événements de disruption de marée
Les événements de disruption de marée se produisent lorsqu’une étoile s’approche trop près d’un trou noir supermassif. Plutôt que d’être avalée entière, l’étoile est déchirée par les immenses forces de marée gravitationnelles du trou noir, créant une éruption de lumière brillante qui peut éclipser l’intégralité de la galaxie hôte de l’étoile.
Ce phénomène est propre aux trous noirs supermassifs les plus légers, ceux dans la gamme de 100 000 à 100 millions de masses solaires. Les trous noirs plus lourds dépassant 1 milliard de masses solaires avalent simplement les étoiles entières, ne produisant aucun signal de ce type. La matière déchiquetée forme un disque d’accrétion brillant et chaud qui atteint son maximum sur quelques semaines, puis s’estompe progressivement, offrant aux astronomes une fenêtre sur des populations de trous noirs autrement invisibles.
L’avantage infrarouge de Roman
La capacité d’observation en proche infrarouge de Roman est idéalement adaptée à la détection des TDE de l’univers primitif. À mesure que l’univers s’étend, la lumière des objets lointains est étirée vers des longueurs d’onde plus longues, un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge cosmologique. La lumière qui voyage pendant 8 à 11 milliards d’années pour nous atteindre arrive dans la bande proche infrarouge où les instruments de Roman sont optimisés.
Le relevé à haute latitude et à variation temporelle du télescope couvrira environ 18 degrés carrés de ciel, une superficie équivalant à environ 90 pleines lunes, revisitant les mêmes régions à une cadence régulière pour capturer les événements transitoires au moment où ils se produisent.
Le rôle de Roman complète celui de l’Observatoire Vera C. Rubin, qui détectera des milliers à des dizaines de milliers de TDE par an, mais principalement à des distances plus proches en lumière visible. Ensemble, les deux observatoires fourniront une image complète, des environs immédiats aux confins les plus lointains du cosmos.
« Tout comme Webb a transformé notre compréhension des galaxies lointaines à haut décalage vers le rouge, Roman est prêt à transformer notre compréhension des transitoires à haut décalage vers le rouge », a déclaré la co-auteure Suvi Gezari de l’Université du Maryland.
Sonder les origines des trous noirs
Karmen et ses collègues ont modélisé l’évolution du taux de TDE à travers le temps cosmique, tenant compte de facteurs évolutifs tels que les taux de fusion des galaxies, la densité stellaire dans les noyaux galactiques et les masses des trous noirs.
L’équipe prévoit que le taux de TDE augmentera avec la distance jusqu’à atteindre le « midi cosmique », il y a environ 11 à 12 milliards d’années, lorsque la formation d’étoiles dans l’univers a atteint son apogée, puis diminuera à des distances encore plus grandes.
Le comptage des TDE à différents décalages vers le rouge permettra aux astronomes de distinguer deux théories principales sur l’origine des trous noirs supermassifs :
Théorie des semences légères soutient que les trous noirs ont commencé comme des vestiges de masse stellaire provenant de la mort d’étoiles massives (jusqu’à quelques centaines de masses solaires) et ont grandi par fusions et consommation rapide de gaz. Ce modèle prédit que presque chaque jeune galaxie héberge un trou noir central.
Théorie des semences lourdes propose que certains trous noirs sont nés grands, jusqu’à un million de masses solaires, par effondrement direct de nuages de gaz. Ce scénario prédit que les trous noirs supermassifs seraient plus rares dans les galaxies primitives.
« Les événements de disruption de marée nous aident à sonder la population de trous noirs supermassifs légers, ce qui peut nous aider à discriminer entre ces modèles », a déclaré Karmen.
Une nouvelle frontière dans la science des transitoires
Le relevé à haute latitude et à variation temporelle de Roman est l’un des trois relevés communautaires fondamentaux qui définiront la mission principale du télescope. Une fois que Roman et Rubin commenceront leurs opérations complètes, les équipes commenceront immédiatement à comparer les prédictions aux détections réelles, en utilisant les données combinées pour cartographier la distribution des trous noirs à travers le temps cosmique.
« Rien qu’en comptant le nombre de TDE en fonction du décalage vers le rouge, on peut imposer des contraintes significatives sur la population de trous noirs de millions de masses solaires », a déclaré Gezari. « Roman sera transformateur en ce qu’il peut sonder les événements de disruption de marée à de plus grandes distances, vous pouvez donc observer comment le taux de TDE évolue dans le temps. »
Le télescope spatial Nancy Grace Roman est géré par le Goddard Space Flight Center de la NASA, avec des contributions clés de JPL, Caltech/IPAC, le Space Telescope Science Institute, BAE Systems, L3Harris et Teledyne.
Traduit par Lydie