Les trous noirs super massifs (SMBH) sont difficiles à expliquer. On pense que ces singularités gargantuesques sont au centre de chaque grande galaxie (notre Voie lactée en a une), mais leur présence là-bas défie parfois toute explication facile. À notre connaissance, des trous noirs se forment lorsque des étoiles géantes s'effondrent. Mais cette explication ne correspond pas à toutes les preuves.
La théorie de l'effondrement stellaire explique bien la plupart des trous noirs. Dans cette théorie, une étoile au moins cinq fois plus massive que notre Soleil commence à manquer de carburant vers la fin de sa vie. Étant donné que la pression extérieure de la fusion nucléaire d'une étoile est ce qui la soutient contre la gravité intérieure de sa propre masse, quelque chose doit donner lorsque le combustible s'épuise.
L'étoile subit une explosion d'hypernova, puis s'effondre sur elle-même. Ce qui reste est un trou noir. Les astrophysiciens pensent que les SMBH commencent de cette façon et grandissent dans leurs énormes tailles en se «nourrissant» essentiellement d'autres matières. Ils gonflent de taille et sont assis au centre de leur gravité, comme une araignée qui grossit au milieu de sa toile.
Le problème avec cette explication est que cela prend beaucoup de temps.
Là-bas dans l'Univers, les scientifiques ont observé des SMBH qui sont anciennes. En mars de cette année, un groupe d'astronomes a annoncé la découverte de 83 SMBH si anciens qu'ils ont défié notre compréhension. En 2017, les astronomes ont découvert un trou noir de 800 millions de masse solaire qui s'est entièrement formé seulement 690 millions d'années après le Big Bang. Ils ont vu le jour dans les premiers jours de l'Univers, avant qu'il ne soit temps de grandir dans leurs formes super massives.
Beaucoup de ces SMBH sont des milliards de fois plus massifs que le Soleil. Ils subissent des décalages vers le rouge si élevés qu'ils doivent avoir été formés au cours des 800 premiers millions d'années après le Big Bang. Mais ce n'est pas assez de temps pour que le modèle d'effondrement stellaire les explique. La question qui se pose aux astrophysiciens est la suivante: comment ces trous noirs sont-ils devenus si gros en si peu de temps?
Deux chercheurs de l'Université Western en Ontario, au Canada, pensent qu'ils l'ont compris. Ils ont une nouvelle théorie appelée «effondrement direct» qui explique ces SMBH incroyablement anciens.
Leur article s'intitule «La fonction de masse des trous noirs supermassifs dans le scénario d'effondrement direct» et est publié dans The Astrophysical Journal Letters. Les auteurs sont Shantanu Basu et Arpan Das. Basu est un expert reconnu des premiers stades de la formation des étoiles et de l'évolution des disques protoplanétaires. Il est également professeur d'astronomie à l'Université Western. Das est également du Département de physique et d’astronomie de Western.
Leur théorie de l'effondrement direct dit que les anciens trous noirs super massifs se sont formés extrêmement rapidement en très peu de temps. Puis soudain, ils ont cessé de grandir. Ils ont développé un nouveau modèle mathématique pour expliquer ces trous noirs anciens à formation rapide. Ils disent que la limite d'Eddington, qui est un équilibre entre la force radiative extérieure d'une étoile et la force gravitationnelle intérieure, joue un rôle.
Dans ces trous noirs à effondrement direct, la limite d'Eddington régule la croissance de la masse, et les chercheurs disent que ces anciens trous noirs peuvent même dépasser cette limite d'une petite quantité, dans ce qu'ils appellent l'accrétion de super-Eddington. Puis, en raison du rayonnement produit par d'autres étoiles et des trous noirs, leur production s'est arrêtée.
"Les trous noirs supermassifs n'ont eu qu'une courte période de temps où ils ont pu se développer rapidement, puis à un moment donné, en raison de tous les rayonnements dans l'univers créés par d'autres trous noirs et étoiles, leur production s'est arrêtée", explique Basu dans un communiqué de presse. "C'est le scénario de l'effondrement direct."
"Il s'agit d'une preuve d'observation indirecte que les trous noirs proviennent de l'effondrement direct et non de restes stellaires", a déclaré Basu.
Cette nouvelle théorie fournit une explication efficace de ce qui a été un problème épineux en astronomie depuis un certain temps. Basu pense que ces nouveaux résultats peuvent être utilisés avec de futures observations pour déduire l'histoire de la formation des trous noirs extrêmement massifs qui existent très tôt dans notre univers.
Sources:
- Communiqué de presse: des chercheurs mettent en lumière les origines du trou noir
- Document de recherche: La fonction de masse des trous noirs supermassifs dans le scénario d'effondrement direct
- Space Magazine: Trop gros, trop tôt. Monster Black Hole vu peu de temps après le Big Bang
- Université de Princeton: les astronomes découvrent 83 trous noirs supermassifs dans le premier univers
- Wikipédia: Luminosité d'Eddington (limite)
