Certains trous noirs seraient trop anciens pour pouvoir être compris

Les trous noirs supermassifs (TNSM) sont l’un des grands mystères de notre univers. Les scientifiques pensent qu’ils sont au centre de toutes les grandes galaxies, comme notre Voie Lactée qui en possède un en son centre.

Mais si la science a trouvé une explication plausible à la formation des trous noirs supermassifs, certains d’entre eux semblent échapper à cette explication. Il s’agit des trous noirs très très anciens !

Trou noir moléculaire

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La théorie de l’effondrement gravitationnel des étoiles pour expliquer les TNSM

Jusqu’ici, les scientifiques ont considéré que les trous noirs se forment lorsque des étoiles géantes s’effondrent. L’effondrement gravitationnel des étoiles explique en effet très bien la plupart des trous noirs. D’après cette hypothèse, tout commence lorsqu’une étoile au moins cinq fois plus massive que notre Soleil commence à manquer de carburant vers la fin de sa vie.

La pression exercée par la fusion nucléaire d’une étoile étant ce qui la protège contre la gravité interne de sa propre masse, il faut que quelque chose d’autre soit engloutie lorsque le combustible s’épuise. Alors l’étoile subit une explosion hypernova, puis s’effondre sur elle-même. Et il en résulte un trou noir.

Les astrophysiciens pensent que les trous noirs supermassifs naissent de cette façon et atteignent des tailles énormes en « se nourrissant » essentiellement d’autres matières. Ils se placent au centre de leur gravité et continuent de grossir. Un processus qui prend beaucoup de temps pour s’accomplir. Mais en mars de cette année, un groupe d’astronomes a annoncé la découverte de 83 TNSM qui sont si anciens qu’ils ne collent pas avec l’explication de l’effondrement gravitationnel des étoiles.

Le mystère autour de la formation des tout premiers trous noirs supermassifs

Déjà en 2017, les astronomes avaient découvert un trou noir de 800 millions de masse solaire entièrement formé seulement 690 millions d’années après le Big Bang. Ce type de TNSM ont vu le jour durant les premières heures de l’Univers, et ils ont atteint leurs formes super-massives en beaucoup moins de temps qu’il n’en faut en tenant compte de la théorie de l’effondrement gravitationnel des étoiles.

La plupart de ces TNSM très anciens sont des milliards de fois plus massifs que le Soleil, et les scientifiques estiment qu’ils ont dû être formés dans les 800 millions d’années qui ont suivi le Big Bang. Un laps de temps insuffisant pour que l’effondrement gravitationnel des étoiles les explique. La question qui se pose aux astrophysiciens est donc de savoir comment ces trous noirs sont-ils devenus si gros en si peu de temps.

Deux chercheurs de la Western University en Ontario, au Canada, pensent avoir la solution à ce mystère. Ils se nomment Shantanu Basu et Arpan Das. Basu est un expert reconnu dans les premiers stades de la formation des étoiles et de l’évolution des disques protoplanétaires. Il est également professeur d’astronomie à la Western University. Das est lui aussi du département de physique et d’astronomie de la même université.

Basu et Das ont élaboré une nouvelle hypothèse baptisée « effondrement direct » qui donne une explication logique à la formation de ces trous noirs supermassifs très anciens. Leur étude s’intitule « La fonction de la masse des trous noirs supermassifs dans le scénario d’effondrement direct » et elle a été publiée dans The Astrophysical Journal Letters.

Les fondements de l’hypothèse de « l’effondrement direct »

D’après la théorie de l’effondrement direct de Basu et Das, les anciens trous noirs super massifs se sont formés extrêmement rapidement en très peu de temps. Puis tout à coup, ils ont cessé de grandir. Les deux scientifiques ont développé un nouveau modèle mathématique pour expliquer la formation rapide de ces anciens trous noirs. Ils disent que la limite d’Eddington, qui est un équilibre entre la force radiative externe d’une étoile et la force de gravitation interne, joue un rôle dans cette équation.

Dans ces trous noirs à effondrement direct, la limite d’Eddington régule la croissance en masse, et les scientifiques pensent que ces trous noirs anciens peuvent même dépasser cette limite d’un peu, grâce à ce qu’ils appellent l’accrétion de Super-Eddington. Puis, en raison des radiations produites par d’autres étoiles et trous noirs, leur croissance s’est arrêtée.

Cette nouvelle hypothèse vient fournir une explication efficace à ce qui constitue un problème épineux en astronomie depuis un certain temps maintenant. Basu pense que de futures observations pourront s’appuyer sur leur étude pour déduire l’historique de la formation des trous noirs extrêmement massifs qui existent depuis les premiers jours de notre univers.

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