Quelle origine pour les trous noirs supermassifs ?



Les trous noirs supermassifs ont-ils bénéficié d’un sérieux coup de pouce de la part de la matière noire pour se former ? C’est l’hypothèse d’une équipe de chercheurs à paraître dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et disponible en ligne. La formation de ce type d’astres d’au moins un million de masses solaires demeure une énigme. Les plus anciens existaient déjà 800 millions d’années après le Big Bang, alors même que les premières générations d’étoiles commençaient tout juste à briller. Comment une telle quantité de matière a-t-elle pu s’agréger en si peu de temps  ? Cette étude tente d’apporter quelques éléments de réponse…

Effondrement gravitationnel

Le chemin le plus classique menant à la naissance d’un trou noir passe par l’effondrement gravitationnel d’une étoile. Ce phénomène se produit lorsque les conditions ne sont plus réunies pour que les réactions de fusion puissent se produire au sein de l’astre. L’énergie de la fusion, qui fait briller ces soleils, contrebalance la compression due au poids du gaz. Sans elle, plus rien ne s’oppose à la gravité et l’étoile s’effondre, ce qui comprime la matière en son cœur. Si sa masse excède huit fois celle du Soleil, elle devient si dense au centre qu’elle forme un trou noir, une zone où l’attraction gravitationnelle est telle que rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière.

Si ce processus permet d’expliquer la formation de trous noirs jusqu’à quelques dizaines de masses solaires, soit par effondrement d’étoiles très massives, soit par fusion de petits trous noirs entre eux, soit par accrétion de gaz au fil du temps, il devient beaucoup plus compliqué de l’étendre aux trous noirs de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires. Que ce soit par fusion ou accrétion, il faudrait beaucoup de temps pour les fabriquer. Or, cela ne cadre pas avec des trous noirs super massifs formés seulement 800 millions d’années après le Big Bang.

Des grumeaux de matière noire pour amorcer les trous noirs

Pour résoudre ce paradoxe, les auteurs de cette étude imaginent une toute autre origine en incluant la matière noire, dont on ignore encore la nature, mais qui serait cinq fois plus abondante que la matière baryonique classique, celle qui nous compose.

Ils démontrent ainsi que des noyaux de galaxies constitués de matière noire, et entourés d’un halo de matière noire diluée, seraient stables, et pourraient exister en théorie. Dans ce cas, le centre de ces structures deviendrait si concentré qu’il s’effondrerait en trous noirs super massifs une fois un seuil critique de densité atteint. Selon ce modèle, les trous noirs seraient en quelque sorte les premiers habitants des galaxies. “Ce nouveau scénario de formation offrirait une explication naturelle à la façon dont se forment les trous noirs supermassifs, explique Carlos R. Argüelles sur le site de la Royale Astronomical Society, sans nécessiter l’intervention d’étoiles, ou de trous noirs avec un rythme d’accrétion irréaliste“.

Sur la piste des amas globulaires

Selon Nathalie Palanque-Delabrouille, cosmologiste au CEA, la matière noire peut en effet être impliquée dans la formation des trous noirs. “L’étude du fond diffus cosmologique, la première « lumière » émise dans l’Univers lorsqu’il n’avait que 380.000 ans, indique la présence de matière noire en quantité bien supérieure à la matière baryonique, détaille-t-elle pour Sciences et Avenir. Il est possible qu’en certains points de l’espace, des variations de densité dans l’univers primordial aient engendré des petits trous noirs qui ont par la suite grandi, se nourrissant de matière noire comme de matière baryonique. L’ennui avec cette étude décrivant des galaxies composées d’un noyau de matière noire très dense entouré d’un vaste halo, c’est qu’il n’y a pas de support observationnel qui permette de choisir ce scénario plutôt qu’un autre. Alors qu’il y a d’autres tentatives pour expliquer la formation des trous noirs super massifs, qui cherchent davantage à se confronter aux observations.”

25.000 trous noirs supermassifs cartographiés

Une approche différente consiste à s’intéresser à la formation des trous noirs de masse intermédiaire, quelques centaines de masses solaires à plusieurs milliers, et dont la fusion pourraient donner naissance à des trous noirs super massifs, sans recourir nécessairement à la matière noire. Cette classe d’astres, rarement observée, est encore très peu documentée. “Toutefois, les récents résultats des observatoires d’ondes gravitationnelles Virgo et Ligo ont, pour la première fois, mis en évidence l’existence de trous noirs de près d’une centaine de masses solaires, explique Nathalie Palanque-Delabrouille. Par ailleurs, une étude datant de février 2021 indique qu’ils pourraient peupler le cœur de l’amas globulaire NGC 6397. Or, les amas globulaires sont des regroupements d’étoiles très denses, et très anciens. Si les trous noirs intermédiaires peuplaient ces structures anciennes, cela pourrait aussi nous mettre la piste des premiers trous noirs super massifs…”.

Alors qu’une carte recensant plus de 25.000 trous noirs supermassifs nichés au cœur de galaxies plus ou moins lointaines vient d’être publiée, la quête de leur origine demeure l’un des sujets les plus actuels, et fascinants, de la cosmologie.



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