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Trous noirs supermassifs : la lumière trahirait leur formation par effondrement direct

Les astrophysiciens et les cosmologistes sont perplexes en ce qui concerne l'origine des trous noirs supermassifs contenant au moins un million de masses solaires au cœur des galaxies. Un scénario d'effondrement direct d'un nuage d'hydrogène, simulé sur ordinateur, a conduit à une signature électromagnétique spécifique de ce phénomène que pourrait découvrir le télescope James-Webb.


Les trous noirs supermassifs sont l'une des grandes énigmes de l'astrophysique et de la cosmologie. Nous comprenons assez facilement comment peuvent se former des trous noirs stellaires, de l'ordre d'une dizaine de masses solaires, par effondrement gravitationnel d'étoilescontenant au moins une trentaine de masses solaires. Mais nous comprenons moins comment des objets compacts avec des millions voire des milliards de masses solaires peuvent se former dans le cosmos observable.

Il y a toutefois plusieurs hypothèses qui font toutes intervenir au moins le fait que ces géants peuvent grandir par coalescence, lors de fusions de galaxies, car on peut observer ces dernières. On devrait pouvoir observer la coalescence des trous noirs supermassifs d'ici 15 ans environ grâce à la mission eLisavia les émissions d'ondes gravitationnelles que ce type d'évènement doit produire. On pense connaître également une signature électromagnétique de ces fusions d'astres relativistes. Mais il reste toutefois le problème de la production dans l'universobservable des tout premiers trous noirs de grande taille, et c'est là que les scénarios divergent.


Françoise Combes est astronome à l’Observatoire de Paris au Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (Lerma). Son domaine actuel de recherche concerne la formation et l’évolution des galaxies. © École normale supérieure - PSL

Plusieurs scénarios d’effondrement pour fabriquer des trous noirs géants

En reprenant certains modèles proposés au cours des années 1960, moment où l'on découvrait l'énigme des quasars, on peut penser que les premiers trous noirs géants sont les restes d'étoiles supermassives contenant environ 100.000 masses solaires. Mais, la formation de ces étoiles ne va pas de soi. En fait, rien que la naissance d'étoiles contenant plus de 200 masses solaires environ est problématique, en partie à cause de ce que l'on appelle la limite d'Eddington. En effet, on n'observe pas, par exemple, d'étoiles de plus de 200 masses solaires dans la Voie lactée de façon convaincante. Mais cela semble être dû au fait que la composition actuelle du gaz interstellaire n'est pas la même que celle à l'origine des premières étoiles. En clair, il manquait des éléments lourds que ces étoiles vont fabriquer et éjecter dans l'espace en devenant des supernovae. Au cours des premières centaines de millions d'années du début de l'histoire du Cosmos, au moment où les galaxies naissent, le gaz primordial d'hydrogène et d'hélium, presque pur, permettait donc la naissance d'astres différents.

Mais d'où viendraient précisément ces étoiles supermassives ? Toujours de l'effondrement de nuages de gaz comme les étoiles normales. À ce compte, on peut alors envisager de sauter une étape et de former les graines de trous noirs supermassifs (que l'on appelle parfois des trous noirs de masses intermédiaires) directement par effondrement gravitationnel. C'est ce scénario dit DCBH (direct collapse black holes, en anglais) qu'ont étudié, à l'aide de simulations numériques, des astrophysiciens états-uniens du Georgia Institute of Technology à l'aide du supercalculateur Stampede de l'université du Texas à Austin. Les chercheurs l'expliquent dans un article disponible sur arXiv.

Il en a résulté qu'une signature électromagnétique précise, notamment dans l'ultraviolet et le domaine des rayons X, a été prédite par le supercalculateur et que de nos jours, du fait du décalage spectral provoqué par une expansion de l'espace qui a duré plus de 13 milliards d'années depuis l'émission de cette signature, on devrait pouvoir l'observer avec le télescope spatial James-Webb.

Cette signature repose sur le scénario suivant, soutenu par les simulations numériques.

Au centre d'une galaxie à flambée d'étoiles (galaxy starbust, en anglais) en cours de formation, le rayonnement des premières étoiles transforme de l'hydrogène moléculaire d'un nuage dense en hydrogène atomique. Cela permet à ce nuage de s'effondrer directement en un trou noir contenant environ 100.000 masses solaires, sans se fragmenter en étoiles et formant un amas ouvert comme ce serait le cas avec un nuage moléculaire. Le pic de cette formation par DCBH se serait probablement produit environ 100 millions d'années après le Big Bang.

Le trou noir rapidement formé se met à accréter du gaz et donc à produire du rayonnement X qui, paradoxalement, va contrecarrer l'effet de production d'hydrogène atomique autour de lui et provoquer en un million d'années environ la formation de quelque 90 étoiles massives autour de l'astre compact. Elles deviendront des supernovae au bout de plusieurs millions d'années. Le rayonnement produit et le souffle des explosions vont perturber l'accrétion de matière sur le trou noir mais environ 10 millions d'années après le début du processus DCBH, l'accrétion redevient plus forte, bien que marquée là aussi par des émissions ultraviolettes et X spécifiques.

On devrait donc pouvoir tester ce scénario au cours des années 2020, si tout se passe bien avec le lancement du James-Webb.


Source : Futura Sciences

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