Il faut beaucoup de temps pour faire grandir un trou noir supermassif, même s’il mange voracement. Ainsi, la façon dont les trous noirs supermassifs, des milliards de fois plus lourds que le Soleil, se sont formés au cours du premier milliard d’années de l’univers est une énigme persistante pour les cosmologistes.
Mais les nouveaux travaux d’une équipe internationale de cosmologistes suggèrent une réponse : des flux de matière froide, façonnés par une mystérieuse matière noire, alimentant de force les trous noirs nés de la mort de gigantesques étoiles primordiales.
“Il existe une recette pour créer un trou noir de 100 000 masses solaires à la naissance, et c’est une étoile primordiale de 100 000 masses solaires”, a déclaré Daniel Whalen, un cosmologiste de l’Université de Portsmouth. The Independent. “Dans l’univers actuel, les seuls trous noirs que nous avons découverts, se sont tous formés à partir de l’effondrement d’étoiles massives. Cela signifie donc que la masse minimale d’un trou noir doit probablement être d’au moins trois à quatre masses solaires.”
Mais le fossé est énorme entre une étoile de 4 masses solaires et une étoile de 100 000 masses solaires, une étoile “hypergéante” qui, si elle était centrée sur le Soleil, s’étendrait jusqu’à l’orbite de Pluton. Selon le Dr Whalen, au cours des 20 dernières années, la plupart des recherches sur les Quasars de l’univers primitif – des centres très brillants de galaxies alimentés par des trous noirs supermassifs – se sont concentrées sur l’ensemble des conditions finement ajustées qui permettraient à une étoile primordiale aussi massive de se former.
Mais dans un nouvel article publié dans la revue Naturele Dr Whalen et ses collègues utilisent une modélisation par superordinateur de l’évolution cosmique pour montrer qu’au lieu de se développer à partir d’un ensemble de circonstances très particulières, les étoiles primordiales hypergéantes se forment et s’effondrent en “graines” de quasars tout naturellement à partir d’un ensemble de conditions initiales qui, bien qu’encore relativement rares, sont beaucoup moins délicates. Et tout commence par la matière noire.
“Si vous regardez le contenu total, appelons-le le contenu énergétique massique total de l’univers, 3 % de celui-ci est sous la forme de matière que nous comprenons”, a déclaré le Dr Whalen, une matière faite de protons, de neutrons et d’électrons, d’hydrogène, d’hélium et ainsi de suite. Mais, “24 pour cent est sous la forme de matière noire, et nous savons qu’elle est là à cause du mouvement des galaxies et des amas de galaxies, mais nous ne savons pas ce que c’est”.
En d’autres termes, la matière noire ne semble interagir avec la matière normale que par le biais de la gravité, et c’est la gravité de la matière noire qui a créé la structure à plus grande échelle de l’univers : la toile cosmique. Selon le Dr Whalen, au début de l’univers, de vastes étendues de matière noire se sont effondrées en longs filaments sous l’effet de leur propre poids, entraînant avec elles la matière normale, formant ainsi un réseau de filaments et leurs intersections.
Des galaxies et des étoiles se formeraient finalement dans les filaments et, en particulier, dans les intersections riches en matière des filaments.
“Nous les appelons des halos, des halos cosmologiques”, dit le Dr Whalen à propos des intersections, “et nous pensons que les étoiles primordiales s’y sont d’abord formées”.
Selon la théorie précédente, pour former une étoile primordiale suffisamment grande pour donner naissance à un trou noir supermassif et créer un quasar au cours du premier milliard d’années de l’univers, un halo devait atteindre des proportions massives dans des conditions particulières : pas d’autres étoiles trop proches, formation d’hydrogène moléculaire pour maintenir le gaz froid et flux de gaz supersoniques pour maintenir le halo turbulent. Tant que le halo est suffisamment froid et turbulent, il ne peut pas se cohérer suffisamment pour s’allumer en tant qu’étoile, ce qui prolonge sa phase de croissance jusqu’à ce qu’il naisse finalement à une taille énorme.
Et une fois qu’une étoile massive s’allume, vit sa vie, se consume et s’effondre en un trou noir, elle doit avoir accès à de grandes quantités de gaz pour devenir supermassive, a déclaré le Dr Whalen, “parce que la façon dont le trou noir se développe est d’avaler du gaz”.
Mais plutôt que d’exiger des conditions finement ajustées pour former une étoile massive et, finalement, un trou noir massif, la simulation du Dr Whalen et de ses collègues suggère que le gaz froid s’écoulant dans un halo à partir des filaments définis par la matière noire de la toile cosmique pourrait remplacer la multitude de facteurs nécessaires à la formation d’étoiles primordiales dans les anciens modèles.
“Si les flux d’accrétion froids alimentent la croissance de ces halos, ils doivent pilonner ces halos”, a déclaré le Dr Whalen, “les pilonner avec tant de gaz si rapidement, que la turbulence pourrait empêcher le gaz de s’effondrer et de former une étoile primordiale.”
Lorsqu’ils ont simulé un tel halo alimenté par des flux d’accrétion froids, les chercheurs ont vu se former deux étoiles primordiales massives, l’une aussi massive que 31 000 soleils, et l’autre aussi massive que 40 000 soleils. Les graines dedes trous noirs supermassifs.
“C’était magnifiquement simple. Le problème qui se posait depuis 20 ans a disparu du jour au lendemain”, a déclaré le Dr Whalen. Chaque fois que vous avez des flux froids qui pompent du gaz dans un halo dans la toile cosmique, “vous allez avoir tellement de turbulences, que vous aurez une formation d’étoiles supermassives et une formation massive de graines qui produit une graine massive de Quasar.”
C’est une découverte qui correspond au nombre de quasars observés jusqu’à présent dans l’univers primitif, a-t-il ajouté, notant que les grands halos à cette époque précoce sont rares, tout comme les quasars.
Mais ces nouveaux travaux ne sont qu’une simulation, et les scientifiques aimeraient ensuite observer réellement la formation d’un quasar de l’univers primitif dans la nature. De nouveaux instruments, tels que le télescope spatial James Webb, pourraient permettre d’y parvenir assez rapidement.
“Le Webb sera puissant pour en voir un”, a déclaré le Dr Whalen, en observant peut-être la naissance des trous noirs un ou deux millions d’années après le Big Bang.
