LID-568 : un trou noir qui semble s’alimenter à plus de 40 fois la limite d’Eddington

Le cas de LID-568 offre un aperçu d’un trou noir supermassif à une étape précoce de l’histoire cosmique. Il se trouve au centre d’une galaxie qui existait déjà lorsque l’Univers avait environ 1,5 milliard d’années. Le 4 novembre 2024, NSF NOIRLab a annoncé qu’une équipe internationale avait étudié l’objet à l’aide de données du télescope spatial James Webb (JWST) et de l’observatoire de rayons X Chandra. L’équipe a estimé que LID-568 semble s’alimenter à un taux supérieur à 40 fois la limite d’Eddington, et a détecté de puissants flux de gaz autour de lui.

D’une source de rayons X aux observations de Webb

L’équipe, dirigée par l’astronome Hyewon Suh, a utilisé Webb pour observer un échantillon de galaxies sélectionnées à partir du relevé COSMOS de Chandra. LID-568 a retenu l’attention en raison de son intense émission de rayons X. Les observations de Chandra ne permettaient toutefois pas de déterminer précisément la position de la source, ce qui compliquait son centrage dans le champ de Webb.

Pour résoudre ce problème, l’équipe a utilisé le spectrographe à champ intégral NIRSpec de Webb, plutôt que la spectroscopie traditionnelle à fente. Cet instrument peut obtenir un spectre pour chaque pixel de son champ de vision, au lieu de se limiter à une bande étroite. Les observations ont ainsi couvert à la fois la cible et la région qui l’entoure. Cette couverture a conduit à la détection inattendue de puissants flux de gaz autour du trou noir central.

Chandra et Webb ont apporté des éléments différents à l’observation : le relevé en rayons X a fait ressortir LID-568 dans l’échantillon, tandis que NIRSpec a permis d’étudier spectroscopiquement une région plus étendue autour de l’objet. Cette combinaison a aidé l’équipe à caractériser une source dont la position initiale n’était pas bien déterminée.

Ce qu’indique la limite d’Eddington

La limite d’Eddington décrit un équilibre lié à la luminosité maximale qu’un trou noir peut atteindre et à la vitesse à laquelle il peut absorber de la matière. La gravité attire la matière vers le trou noir, tandis que la pression vers l’extérieur provient de la chaleur de la matière comprimée qui tombe. L’estimation communiquée par l’équipe situe l’alimentation de LID-568 au-dessus de cette limite : l’annonce la décrit comme supérieure à 40 fois la limite d’Eddington.

Ce chiffre est une estimation du taux d’alimentation de l’objet, et non une observation directe de chaque étape du déplacement de la matière. Son intérêt est de fournir un cas concret pour étudier une phase d’accrétion super-Eddington, c’est-à-dire une alimentation qui dépasse la limite théorique décrite par Eddington. Le communiqué de NSF NOIRLab indique que l’observation d’un trou noir supermassif à une époque aussi précoce peut apporter des indices sur la croissance rapide de ces objets.

Flux de gaz et croissance rapide

Les chercheurs se sont appuyés sur la vitesse et la taille des flux observés pour déduire qu’une part substantielle de la croissance de LID-568 a pu se produire lors d’un seul épisode d’accrétion rapide. Il s’agit d’une interprétation des observations, et non d’un relevé étape par étape de l’histoire du trou noir. L’équipe avance qu’une phase d’alimentation au-dessus de la limite d’Eddington pourrait permettre une augmentation considérable de la masse au cours d’un épisode rapide.

Le résultat est également lié aux idées sur les graines des trous noirs supermassifs. Les modèles mentionnés par l’équipe envisagent des graines légères, qui pourraient apparaître à la mort des premières étoiles, et des graines lourdes, issues de l’effondrement direct de nuages de gaz. Selon l’interprétation de Suh rapportée dans l’annonce, un épisode d’accrétion rapide pourrait contribuer de manière importante à la croissance, que la graine initiale soit légère ou lourde.

Les flux pourraient aider à comprendre comment une alimentation aussi intense est régulée. L’équipe avance comme possibilité qu’ils agissent comme une sorte de soupape, libérant une partie de l’énergie excédentaire et empêchant le système de devenir trop instable. Cette explication est présentée comme une hypothèse qui nécessite des recherches supplémentaires.

Ce que le suivi pourrait éclaircir

NSF NOIRLab a indiqué que l’équipe prévoyait des observations de suivi avec Webb afin d’étudier les mécanismes à l’œuvre dans LID-568. Ces observations pourraient contribuer à l’étude du lien entre l’accrétion extrême et les flux de gaz, ainsi que du rôle éventuel de ces derniers dans le système. L’hypothèse de la soupape et l’inférence d’un épisode unique de croissance sont des interprétations de l’équipe fondées sur les observations décrites.

L’annonce de 2024 indiquait que les résultats avaient été présentés dans un article intitulé « A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST », qui, selon NSF NOIRLab, devait paraître dans Nature Astronomy. Dans leur ensemble, les observations font de LID-568 un cas utile pour étudier la croissance rapide des trous noirs supermassifs dans l’Univers jeune : le taux supérieur à 40 fois la limite d’Eddington est une estimation de l’équipe, tandis que le rôle régulateur éventuel des flux reste une hypothèse.