Un mystère supermassif se cache au centre de la Voie Lactée. Supermassif trous noirs sont de gigantesques ruptures dans l’espace-temps situées au milieu de nombreuses galaxies, aspirant périodiquement de la matière avant de la recracher à des vitesses proches de la lumière pour façonner l’évolution des galaxies.
Pourtant, comment ils sont devenus si énormes est un mystère dominant en astrophysique, rendu encore plus profond par la Télescope spatial James Webb (JWST). Depuis sa mise en service en 2022, le télescope a découvert que les monstres cosmiques sont incroyablement abondant et massif dans les quelques millions d’années qui ont suivi le Big Bang – une découverte qui défie bon nombre de nos meilleurs modèles sur la façon dont les trous noirs se sont développés.
Sophie Koudmani est astrophysicien à l’Université de Cambridge et cherche des réponses à ce problème. Live Science l’a rencontrée lors de l’événement New Scientist Live à Londres pour discuter des monstres cosmiques, de la manière dont ils auraient pu se former et de la manière dont son travail utilisant des superordinateurs pour les simuler pourrait réécrire l’histoire de notre univers.
Ben Turner : Pourquoi les trous noirs supermassifs sont-ils si importants pour comprendre notre univers ?
Sophie Koudmani : Dans l’univers, tout est connecté et les trous noirs supermassifs jouent un rôle très important. Ils génèrent une énorme quantité d’énergie provenant de la région autour des trous noirs. Lorsque le gaz pénètre, son énergie potentielle gravitationnelle est convertie en rayonnement. Cela rend le gaz très chaud et, à mesure qu’il chauffe ça commence à briller.
Le gaz est chauffé jusqu’à des millions de degrés et son rayonnement influence alors toute la galaxie. Il empêche les gaz de s’agglutiner pour former des étoiles, interrompant ainsi la formation des étoiles d’une manière importante pour produire des galaxies réalistes. L’énergie (des trous noirs supermassifs) peut alors se propager encore plus loin et influencer la structure à grande échelle de l’univers – ce qui est vraiment important pour la cosmologie et la compréhension de l’évolution cosmique.
BT : Ainsi, lorsque vous parlez de l’énergie circulant vers l’extérieur, vous faites référence à des jets relativistes, ou à des écoulements à une vitesse proche de la lumière provenant de certains trous noirs, n’est-ce pas ?
Sask. : Oui. Il existe trois manières par lesquelles les trous noirs « parlent » à leurs galaxies hôtes. L’un est dû aux jets relativistes, l’autre aux vents émis par le disque d’accrétion (la structure nuageuse de gaz, de poussière et de plasma qui orbite autour des trous noirs) – ceux-ci ne sont pas aussi minces que des jets – et puis il y a le rayonnement. Ainsi, généralement, les disques émettent des rayons X et des rayonnements provenant d’autres parties du spectre électromagnétique.
BT : Vous en avez déjà parlé, mais à quoi ressembleraient les galaxies si les trous noirs n’existaient pas ?
Sask. : Vous pourriez donc obtenir ce que l’on appelle souvent une « formation d’étoiles incontrôlée ». Tout le gaz serait très rapidement consommé et vous obtiendriez des boules d’étoiles. Ce n’est pas à cela que ressemblent les galaxies. Pour obtenir les disques galactiques (que nous voyons dans notre univers), il est vraiment important d’avoir une sorte de trou noir. Il faut obtenir un rapport réaliste entre le gaz et les étoiles, sans qu’elles soient dévorées d’emblée.
BT : Qu’est-ce qui vous a poussé à étudier les trous noirs ? À quelles questions souhaitez-vous répondre à leur sujet ?
Sask. : Une chose que j’aime vraiment à propos des trous noirs supermassifs, c’est qu’ils sont apparemment simples, mais qu’ils dégagent ensuite cette physique incroyablement riche. Vous pouvez en fait caractériser les trous noirs avec seulement deux nombres – leur masse et leur spin – et cela vous indique complètement comment ils se comportent, cela s’appelle le « pas de théorème des cheveux » À partir de ces deux nombres, vous pouvez obtenir toutes ces différentes possibilités. Par exemple, certains trous noirs ont des jets et d’autres non, certains ont des disques d’accrétion très brillants et d’autres sont complètement silencieux. C’est l’interaction avec les galaxies qui apporte ceci.
C’est donc un simple objet au centre qui peut être incroyablement puissant. Il interagit avec quelque chose qui peut être assez complexe et désordonné, la galaxie – vous obtenez le gaz, la poussière, les étoiles, le tout étant maintenu ensemble par la matière noire que nous ne comprenons pas très bien. Et tous ces composants interagissent les uns avec les autres de manière vraiment complexe à comprendre.
BT : Il est intéressant que vous les ayez décrits comme étant simples, car dans la physique relativiste, c’est là que toutes nos équations s’effondrent et que nous pourrions vouloir rechercher des théories de la gravité quantique. Est-ce qu’ils semblent simples seulement parce que nos théories à leur sujet le sont ?
Sask. : Cela dépend de ce qui vous intéresse. Si vous êtes intéressé par ce qui se passe à l’intérieur de l’horizon des événements, alors oui, bien sûr, la singularité est l’endroit où nos théories s’effondrent. Nous ne connaissons pas exactement d’autres phénomènes physiques, comme Rayonnement de Hawkingcela pourrait en fait provenir de l’intérieur du trou noir.
Si tout cela vous inquiète, oui, vous avez un métier très difficile ! Mais si vous pensez aux trous noirs astrophysiques, vous vous intéressez aux flux de gaz et aux radiations autour du trou noir. En tant qu’astrophysicien, vous pouvez être très heureux de localiser l’horizon des événements, de voir ce qu’il fait à la région qui l’entoure et d’être relativement agnostique quant à ce qu’il contient. L’emplacement de cet horizon lui-même est uniquement déterminé par la masse et le spin.
BT : Quels mystères JWST a-t-il révélés sur les trous noirs que nous ignorions auparavant ?
Sask. : Nous ne savions pas qu’il y aurait tant de trous noirs supermassifs si tôt. Ils existent en si grand nombre (dans l’univers primitif) et à l’intérieur de jolies petites galaxies, c’était surprenant.
Mon doctorat portait sur la modélisation des trous noirs dans les petites galaxies. J’ai eu de la chance de travailler là-dessus car c’est devenu très pertinent pour l’univers primitif. JWST nous dit que l’activité des trous noirs s’est produite très tôt et dans plus de galaxies qu’on ne le pensait possible. En fait, l’activité semble plus efficace que dans l’univers actuel.
BT : Pourquoi est-ce possible ?
Sask. : Nous connaissons tous l’expansion cosmique – donc le Big Bang se produit et l’univers entier s’étend – et cela signifie qu’au début de l’univers, tout était un peu plus rapproché, donc les afflux de gaz étaient plus forts, cela aurait pu aider à nourrir les trous noirs.
L’un des problèmes est que les trous noirs et les supernovae entrent en concurrence les uns avec les autres. La formation d’étoiles et les trous noirs consomment du gaz. Le trou noir chasse le gaz, les supernovae aussi, et les supernovae évacuent également le gaz de la région centrale, et les trous noirs ne peuvent donc pas se développer parce que les supernovae ont expulsé tout le gaz. Il se pourrait que dans l’univers primitif, pour une raison ou une autre, cela ne se produise pas autant et que le trou noir l’emporte tout simplement dans ce processus.
En fait, il y a de fortes chances que les trous noirs l’emportent (au début de l’univers). Cela suggère presque, en raison de la taille de ces trous noirs, que les trous noirs se sont assemblés plus rapidement que leurs galaxies hôtes.
BT : Vous avez également mentionné l’efficacité des trous noirs. Qu’est-ce que cela signifie, comment les trous noirs peuvent-ils être efficaces ?
Sask. : Il existe différentes manières. Une première façon est de savoir, lorsqu’ils aspirent du gaz, quel est le degré d’accrétion (la vitesse à laquelle le disque d’accrétion se développe) ? Il existe une limite de vitesse pour les trous noirs, la limite d’Eddington. Nous mesurons souvent, en tant que fraction de cette limite supérieure théorique, l’ampleur de la croissance du trou noir en aspirant du gaz. Pour certains objets mesurés par le JWST, l’efficacité est supérieure à 100 % — ils sont donc vraiment extrêmement efficaces.
Cela signifie également qu’il ne s’agit pas d’une limite stricte, et qu’il y a toujours une théorie et des hypothèses qui entrent en jeu, et certaines de ces hypothèses peuvent être fausses. En fait, Webb nous a montré qu’ils se trompent clairement dans ces scénarios car ils parviennent à dépasser les limites et à croître encore plus vite.
BT : Et alors pourquoi cette efficacité diminue-t-elle à mesure que nous abordons les dernières étapes du cosmos, l’univers local ?
Sask. : Donc, si vous avez plus de formation d’étoiles, il y a tout simplement moins de gaz. Ainsi, les galaxies pourraient devenir de plus en plus pauvres en gaz, une partie étant éjectée ailleurs, d’autres transformées en étoiles et d’autres encore consommées par des trous noirs. Les galaxies très anciennes sont généralement dominées par leurs étoiles, appelées galaxies elliptiques.
BT : Comment les trous noirs se développent-ils en premier lieu ? Il y a trois manières principales, n’est-ce pas ? Guidez-nous à travers eux.
Sask. : Donc, le premier concerne la première génération d’étoiles. Ceux-ci auraient donc été beaucoup plus massifs que notre soleil, environ 100 fois sa masse. Lorsque ceux-ci arrivent en fin de vie et s’effondrent, ils se transforment en trous noirs. Cela pourrait être un bon point de départ (pour les trous noirs supermassifs), ou cela pourrait être un défi, car nous commençons à 100 (masse solaire) et nous voulons atteindre 1 million.
Un point de départ beaucoup plus simple serait d’énormes nuages de gaz. Ceux-ci s’effondrent directement dans des trous noirs, et ils commencent avec une masse d’environ 100 000 fois la masse du soleil, ce qui rend beaucoup plus facile l’accès au trou noir supermassif (échelles de masse). Et puis il existe un scénario intermédiaire appelé amas d’étoiles nucléaires, dans lequel de nombreuses étoiles apparaissent au centre des galaxies et s’effondrent en trous noirs.
BT : Il existe également une autre option, l’hypothèse de trous noirs primordiaux – de possibles reliques d’une époque antérieure au Big Bang. C’est une théorie très saugrenue, en voyons-nous beaucoup de preuves ?
Sask. : C’est une théorie très farfelue. Nous sommes soumis à davantage de contraintes, et ce n’est certainement pas exclu. Je pense que ce qui est passionnant dans cette question à l’heure actuelle, c’est que rien n’est exclu. Les contraintes deviennent de plus en plus strictes à mesure que nous nous rapprochons de l’époque à laquelle ces trous noirs se sont formés.
BT : Comment pourrions-nous enfin l’exclure ? Quelles sont ces contraintes ?
Sask. : Certaines personnes disent que, maintenant que nous avons découvert des trous noirs massifs si tôt dans l’univers, cela signifie qu’ils doivent s’être formés à la suite d’un effondrement direct. Plusieurs articles publiés suggèrent que les observations le prouvent.
Mais ce que nous faisons actuellement, c’est réviser nos modèles sur la façon dont les trous noirs se sont développés dans l’univers primitif pour voir s’il existe encore d’autres options pour d’autres modèles. Surtout si les trous noirs se développent efficacement, il leur reste juste assez de temps pour se développer à partir d’une graine très légère. Je dirais donc pour l’instant que ce qui est passionnant, c’est qu’aucun des modèles n’est exclu.
BT : Alors, comment cherchons-nous des réponses ? Nous avons mentionné que le JWST a repéré des trous noirs de plus en plus tôt. Existe-t-il d’autres voies que nous explorons pour trouver des réponses ?
Sask. : Une méthode vraiment cool consiste à utiliser les ondes gravitationnelles. (Les détecter) nous permettra de cartographier la population de trous noirs supermassifs d’une toute autre manière. Parce qu’à l’heure actuelle, à moins qu’un trou noir ne soit très proche de nous et que nous puissions cartographier ces orbites stellaires, la seule façon de repérer les trous noirs supermassifs est s’ils sont en phase active.
Mais lorsque nous disposerons d’instruments à ondes gravitationnelles capables de détecter les fusions de trous noirs supermassifs, nous disposerons d’un deuxième canal qui nous aidera à estimer leurs masses. Et cela remonterait au début de l’univers car ces instruments seraient incroyablement sensibles. Nous pourrons alors repérer les signaux de fusion et trouver des mécanismes viables pour leur croissance.
BT : Votre travail consiste à utiliser des simulations pour identifier les voies de croissance possibles. Comment nous aident-ils à trouver des réponses ?
Sask. : C’est une interaction constante entre observation et simulation. Ainsi, une observation, par exemple les premiers trous noirs supermassifs, nous donne quelque chose à expliquer. Cela signifie alors que nous devrons peut-être ajuster les modèles pour permettre ce type de croissance dès le début. Les simulations nous aident alors à savoir quoi rechercher, et lorsque ces observations reviennent, nous pouvons à nouveau ajuster nos modèles.
Je travaille en étroite collaboration avec des observateurs et je fais partie d’un vaste programme du JWST qui effectuera des observations l’année prochaine et effectuera un suivi de ces trous noirs supermassifs à leurs balbutiements pour mieux les comprendre.
BT : Finalement, quels sont les nouveaux domaines de recherche sur les trous noirs géants qui vous enthousiasment le plus ?
Sask. : Je suis super excité par le détecteur d’ondes gravitationnelles LISA que sera mis en ligne dans les années 2030 alors nous pourrons enfin mesurer les ondes gravitationnelles non seulement des petits trous noirs mais aussi des trous noirs supermassifs. Pour cela, il faut être dans l’espace.
Je suis également assez ringard en matière de codage et de création de modèles, donc je suis également enthousiasmé par le développement technique. Un exemple vraiment intéressant qui fait la une des journaux est bien sûr celui de l’IA.
Nous utilisons l’IA pour accélérer nos simulations, les rendre encore plus précises et essayer de relier toutes les échelles, depuis l’immense espace de la toile cosmique jusqu’aux horizons des événements. C’est quelque chose qu’il est impossible de faire, même directement, à l’heure actuelle, car les ressources informatiques des supercalculateurs, même les plus grands et les meilleurs, trouvent cela trop intensif, mais nous pouvons utiliser l’IA pour développer des solutions à cela.
Note de l’éditeur : cette interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.
