Une étude récente offre une solution potentielle à l’un des mystères les plus perplexes de la cosmologie: comment supermassif trous noirs Au début, l’univers est devenu si massif, si rapidement. En introduisant un nouveau modèle de physique, les chercheurs expliquent comment les graines de trou noir supermassive auraient pu se former à travers l’effondrement de l’entité mystérieuse connue sous le nom de matière noire.
Dark Matter, un ingrédient énigmatique de l’univers qui est effectivement invisible et n’interagit avec d’autres matières qu’à travers pesanteurfournit le cadre structurel de la formation de galaxies. Malgré son rôle critique, sa nature reste l’un des plus grands mystères de l’astrophysique. Le modèle cosmologique standard suppose que la matière noire interagit uniquement par la gravité, mais ce cadre a du mal à expliquer l’existence de trous noirs supermassifs dès 800 millions d’années après le Big Bang.
Observations de télescopes comme le Télescope spatial James Webb (JWST) ont révélé des quasars – des objets extrêmement brillants alimentés par des trous noirs supermassifs – à ces premières époques, et ils possèdent des masses plus d’un milliard de fois celles du soleil. Les modèles traditionnels qui reposent sur l’accrétion du gaz et les fusions avec d’autres trous et galaxies noirs ne sont pas en train d’expliquer comment ces trous noirs auraient pu se développer si massifs en si peu de temps.
Ultra auto-interacture de la matière noire vient à la rescousse
Pour relever ces défis, l’équipe a proposé un sous-composant de matière noire appelée ultra-interaction noire. Contrairement à la matière noire standard, cette composante – qui constituerait moins de 10% de la matière noire totale dans l’univers précoce – présenterait de fortes auto-interactions. Cette propriété permettrait à des particules de matière noire ultra auto-interagissantes de se regrouper dans les centres des halos galactiques.
« L’auto-interaction de la matière noire est un composant nécessaire car les particules de matière noire ont besoin d’un moyen de se disperser, beaucoup plus forte que les interactions gravitationnelles », co-auteur de l’étude Grant Robertsun doctorant à l’Université de Californie à Santa Cruz, a déclaré à Live Science dans un e-mail. « Cette dispersion provoque le matière noire se regrouper dans les régions centrales très intérieures de la galaxie, ce qui leur permet de s’effondrer dans des graines de trou noir supermassif. «
Ces fortes auto-interactions conduiraient des particules de matière noire ultra-interagissant vers les centres galactiques, où ils formeraient des noyaux denses qui finiraient par s’effondrer dans des trous noirs. Si ce processus se produisait au début de l’évolution d’une galaxie, il aurait pu semer les trous noirs supermassifs, leur permettant de se développer grâce à des processus d’accrétion de gaz conventionnels. Surtout, le modèle a contourné les échelles de temps lentement des mécanismes traditionnels de formation de trou noir supermassif, permettant une croissance rapide tout en restant cohérent avec d’autres observations astrophysiques.
« Nos principales découvertes sont que nous sommes en mesure de former des graines de trou noir supermassive et de les faire pousser à leurs masses observées dans les limites d’observation actuelles », a ajouté Roberts.
Tester la théorie avec des observations quasar
Pour valider leur modèle, les chercheurs ont analysé un échantillon de trois quasars avec des masses et des âges bien mesurés. Ces objets, observés par JWST et d’autres télescopes, servent de références critiques pour calibrer le modèle ultra-interactif de la matière noire.
L’équipe a constaté que leur modèle reproduisait avec succès les paramètres des quasars observés, même sous différentes hypothèses sur la dépendance à la vitesse de la force d’auto-interaction de la matière noire. « Ce qui rend notre modèle plus favorable, c’est que nous pouvons directement calibrer la force de l’auto-interaction, ainsi que la petite taille de cette fraction, de l’âge et de la masse des trous noirs supermassifs observés », a expliqué Roberts.
L’un des aspects les plus excitants du modèle de matière noire ultra auto-interactive est ses prédictions testables. L’hypothèse suggère l’existence de trous noirs de masse intermédiaire dans les galaxies naines – des galaxies plus petites et moins massives que les nôtres. L’observation de ces trous noirs et leur distribution pourrait fournir des preuves directes du modèle.
« Si les télescopes regardent ces galaxies naines et mesurent la masse de ces trous noirs, nous pouvons comparer directement avec ce que notre modèle prédit », a déclaré Roberts. Le modèle prédit également le nombre et les tailles de ces trous noirs, qui peuvent être transvertifiés avec de futures données d’observation.
L’étude, publiée le 14 janvier dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physicssouligne le potentiel de nouvelles informations de JWST, qui continue de découvrir de nouveaux trous noirs supermassifs à des distances toujours plus grandes. Ces découvertes pourraient placer des contraintes plus strictes sur les échelles de temps de la formation de trous noirs supermassive et affiner les paramètres du modèle ultra auto-interactif de matière noire.
« Avec l’avènement de trous noirs supermassifs même (plus anciens) découverts par JWST, nous serons en mesure de mettre d’autres contraintes sur nos paramètres de modèle », a noté Roberts. « Comme JWST trouve plus de ces trous noirs, nous aimerions voir comment nos nouveaux modèles ont un impact trou noir de masse intermédiaire masses et abondances dans l’univers.
