Supermassif trous noirs font partie des objets les plus impressionnants (et effrayants) de l’univers – avec des masses environ un milliard de fois supérieures à celles du Soleil. Et nous savons qu’ils existent depuis longtemps.
En fait, les astronomes avoir détecté les sources compactes extrêmement lumineuses situées au centre des galaxies, appelées quasars (trous noirs supermassifs à croissance rapide), lorsque l’univers était moins d’un milliard d’années.
Maintenant, notre nouvelle étude, publiée dans Lettres de journaux astrophysiquesa utilisé les observations du télescope spatial Hubble pour montrer qu’il y avait beaucoup plus de trous noirs (beaucoup moins lumineux) dans l’univers primitif que ne le suggéraient les estimations précédentes. Il est intéressant de noter que cela peut nous aider à comprendre comment ils se sont formés et pourquoi nombre d’entre eux semblent plus massifs que prévu.
Les trous noirs se développent en engloutissant la matière qui les entoure, selon un processus appelé accrétion. Cela produit d’énormes quantités de rayonnement. La pression de ce rayonnement pose une limite fondamentale sur la rapidité avec laquelle les trous noirs peuvent se développer.
Les scientifiques ont donc été confrontés à un défi pour expliquer ces premiers quasars massifs : sans beaucoup de temps cosmique pendant lequel se nourrir, ils ont dû soit grandir plus vite que physiquement possible, soit être nés étonnamment massifs.
Graines légères ou lourdes
Mais comment se forment les trous noirs ? Plusieurs possibilités existent. Le premier est ce qu’on appelle trous noirs primordiaux existent depuis peu après le Big Bang. Bien que plausibles pour des trous noirs de faibles masses, les trous noirs massifs ne peuvent pas s’être formés en nombre significatif selon le modèle standard de la cosmologie.
Des trous noirs peuvent certainement se former (maintenant vérifié par l’astronomie des ondes gravitationnelles) dans les étapes finales de la courte vie de certaines étoiles massives normales. De tels trous noirs pourraient en principe croître rapidement s’ils se formaient dans des amas d’étoiles extrêmement denses où les étoiles et les trous noirs pourraient fusionner. Ce sont ces « graines de masse stellaire » de trous noirs qui devraient croître trop vite.
L’alternative est qu’ils pourraient se former à partir de « graines lourdes« , avec des masses environ 1 000 fois supérieures à celles des étoiles massives connues. L’un de ces mécanismes est un « effondrement direct », dans lequel les premières structures de la substance inconnue et invisible connue sous le nom de matière noire des nuages de gaz confinés, tandis que le rayonnement de fond les empêchait de former des étoiles. Au lieu de cela, ils se sont effondrés dans des trous noirs.
Le problème est que seule une minorité de halos de matière noire devient suffisamment grande pour former de telles graines. Cela ne fonctionne donc comme explication que si les premiers trous noirs sont suffisamment rares.
Trop de trous noirs
Depuis des années, nous avons une bonne idée du nombre de galaxies qui existaient au cours du premier milliard d’années du temps cosmique. Mais trouver des trous noirs dans ces environnements était extrêmement difficile (seuls les quasars lumineux ont pu être prouvés).
Bien que les trous noirs se développent en avalant la matière environnante, cela ne se produit pas à un rythme constant : ils divisent leur alimentation en « repas », ce qui fait varier leur luminosité au fil du temps. Nous avons surveillé les changements de luminosité de certaines des premières galaxies sur une période de 15 ans et avons utilisé ces données pour effectuer un nouveau recensement du nombre de trous noirs présents dans la planète.
Il s’avère qu’il y a plusieurs fois plus de trous noirs résidant dans les premières galaxies ordinaires que nous le pensions au départ.
D’autres travaux récents et pionniers avec le Télescope spatial James Webb (JWST) a commencé parvenir à des conclusions similaires. Au total, nous avons plus de trous noirs que ce qui peut se former par effondrement direct.
Il existe une autre manière, plus exotique, de former des trous noirs qui pourraient produire des graines à la fois massives et abondantes. Les étoiles se forment par contraction gravitationnelle de nuages de gaz : si un nombre important de particules de matière noire peuvent être capturées pendant la phase de contraction, alors la structure interne pourrait être entièrement modifié – et l’inflammation nucléaire évitée.
La croissance pourrait donc se poursuivre plusieurs fois plus longtemps que la durée de vie typique d’une étoile ordinaire, leur permettant ainsi de devenir beaucoup plus massives. Cependant, comme les étoiles ordinaires et les objets qui s’effondrent directement, rien n’est finalement capable de résister à la force écrasante de la gravité. Cela signifie que ces « étoiles sombres » devraient éventuellement s’effondrer pour former d’énormes trous noirs.
Nous pensons maintenant que des processus similaires auraient dû avoir lieu pour former le grand nombre de trous noirs que nous observons dans l’univers naissant.
Projets futurs
Les études sur la formation précoce des trous noirs ont connu une transformation au cours des deux dernières années, mais dans un sens, ce domaine ne fait que commencer.
De nouveaux observatoires dans l’espace, comme la mission Euclide ou le Télescope spatial romain Nancy Gracecomplétera notre recensement des quasars les plus faibles dans les premiers temps. Le NouveauMission Athena et le Tableau de kilomètres carrésen Australie et en Afrique du Sud, nous permettra de mieux comprendre de nombreux processus entourant les trous noirs dès les premiers temps.
Mais c’est bien le JWST qu’il faut surveiller dans l’immédiat. Grâce à sa sensibilité en matière d’imagerie et de surveillance et à ses capacités spectroscopiques permettant de détecter une très faible activité des trous noirs, nous nous attendons à ce que les cinq prochaines années permettent de réellement déterminer le nombre de trous noirs au fur et à mesure de la formation des premières galaxies.
Nous pourrions même surprendre la formation d’un trou noir en flagrant délit, en étant témoin des explosions associées à l’effondrement des premières étoiles vierges. Les modèles indiquent que cela est possible, mais cela nécessitera un effort coordonné et dédié de la part des astronomes.
Cet article édité est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lire le article original.
