Les trous noirs sont les objets les plus massifs que nous connaissons dans l’Univers. Pas des trous noirs de masse stellaire, pas des trous noirs supermassifs (SMBH), mais des trous noirs ultra-massifs (UMBH). Les UMBH se trouvent au centre de galaxies comme les SMBH, mais ils ont plus de cinq milliards de masses solaires, une masse étonnamment grande . Le plus grand trou noir que nous connaissons est Phoenix A, un UMBH avec jusqu’à 100 milliards de masses solaires.
Comment quelque chose peut-il devenir si massif ?
Les UMBH sont rares et insaisissables, et leurs origines ne sont pas claires. Une équipe d’astrophysiciens travaillant sur la question a utilisé une simulation pour aider à découvrir la formation de ces objets massifs. Ils ont retracé les origines de l’UMBH au « midi cosmique » de l’Univers il y a environ 10 à 11 milliards d’années.
Leur article est « Ultramassive Black Holes Formed by Triple Quasar Mergers at z = 2 », et il est publié dans The Astrophysical Journal Letters. L’auteur principal est Yueying Ni, stagiaire postdoctoral au Center for Astrophysics/Harvard & Smithsonian.
“Nous avons découvert qu’un canal de formation possible pour les trous noirs ultra-massifs provient de la fusion extrême de galaxies massives qui sont les plus susceptibles de se produire à l’époque du” midi cosmique “”, a déclaré Ni.
Les UMBH sont extrêmement rares. Leur création dans des simulations scientifiques nécessite une simulation massive et complexe. C’est ici que Astrid Il s’agit d’un simulateur hydrodynamique cosmologique à grande échelle qui fonctionne sur le supercalculateur Frontera de l’Université du Texas à Austin. Les simulations à grande échelle d’Astrid peuvent suivre des éléments tels que la matière noire, la température, la métallicité et l’hydrogène neutre. Des simulations comme Astrid sont classées en fonction du nombre de particules que contiennent leurs simulations, et Astrid est en tête de liste.
“L’objectif scientifique d’Astrid est d’étudier la formation des galaxies, la coalescence des trous noirs supermassifs et la réionisation au cours de l’histoire cosmique”, a déclaré l’auteur principal Ni dans un communiqué de presse. (Ni est co-développeur d’Astrid.) Un outil puissant comme Astrid a besoin d’un supercalculateur puissant. Heureusement, UT Austin possède le supercalculateur universitaire le plus puissant des États-Unis. “Frontera est le seul système sur lequel nous avons réalisé Astrid dès le premier jour. C’est une pure simulation basée sur Frontera », a-t-elle expliqué.
Les astronomes savent que les galaxies grossissent grâce aux fusions, et il est probable que les SMBH deviennent plus massives en même temps. Mais les UMBH sont encore plus massives et beaucoup plus rares. Comment se forment-ils ?
Le travail de l’équipe avec Astrid a apporté une réponse.
“Ce que nous avons trouvé, ce sont trois trous noirs ultra-massifs qui ont assemblé leur masse pendant le midi cosmique, le moment il y a 11 milliards d’années où la formation d’étoiles, les noyaux galactiques actifs (AGN) et les trous noirs supermassifs, en général, atteignent leur pic d’activité, », a déclaré Ni.
Le midi cosmique est une période importante dans l’histoire de l’Univers. Les astronomes pensent que la moitié de toutes les étoiles sont nées au cours de cette période. Cela correspond au décalage vers le rouge z=2 à z=3, soit lorsque l’Univers avait environ 2 à 3 milliards d’années. A cette époque, de grandes quantités de gaz s’écoulaient du milieu intergalactique vers les galaxies. Les galaxies ont formé environ la moitié de leur masse stellaire pendant le midi cosmique. Il n’est donc pas surprenant que, comme le dit Ni, ils aient trouvé trois UMBH qui ont assemblé leur masse pendant le midi cosmique.
“À cette époque, nous avons repéré une fusion extrême et relativement rapide de trois galaxies massives”, a déclaré Ni. «Chacune des masses de la galaxie est 10 fois la masse de notre propre Voie lactée, et un trou noir supermassif se trouve au centre de chaque galaxie. Nos découvertes montrent la possibilité que ces systèmes de triplets de quasars soient l’ancêtre de ces rares trous noirs ultra-massifs après que ces triplets interagissent gravitationnellement et fusionnent les uns avec les autres.
Le nom des quasars est trompeur. Cela signifie un objet quasi-stellaire, mais le nom provient d’une époque avant que les astronomes ne sachent ce qu’ils étaient. Les quasars sont un sous-ensemble de noyaux galactiques actifs mais sont extrêmement lumineux. La luminosité provient de tout le matériel tombant dans le SMBH au centre d’une galaxie. Selon la simulation, les opportunités pour les systèmes à triple quasar de fusionner et de former des UMBH diminuent.
Les astrophysiciens ont déterminé une limite de masse supérieure théorique pour les trous noirs à environ 50 milliards de masses solaires, et l’UMBH post-fusion s’approche de cette limite. Mais les chercheurs avertissent que la simulation Astrid “… n’est pas une prescription pour une nouvelle limite supérieure pour la masse du trou noir”. En effet, les simulations, même aussi puissantes qu’Astrid, ne peuvent pas résoudre les détails des processus physiques d’accrétion des trous noirs en dessous des échelles de kiloparsecs. Astrid est une simulation à grande échelle, après tout.
Mais si la simulation est correcte, alors des amas de galaxies massifs dans l’Univers local peuvent héberger des UMBH de la même taille que celui de la simulation. S’ils le font, ils ont probablement également assemblé leur masse via des fusions galaxie/BH pendant le midi cosmique.
“Nous constatons que des trous noirs ultramassifs avec des masses extrêmes de peuvent se former dans les rares événements qui sont de multiples fusions massives de galaxies se produisant autour z ~ 2, l’époque où la formation d’étoiles et l’AGN atteignent leur activité maximale », concluent les auteurs dans leur article.
Seules de meilleures observations peuvent confirmer ces résultats. Le JWST a été construit pour sonder l’univers primitif et percer certains de ses mystères, et il fait déjà des progrès. Le travail de l’équipe avec Astrid aidera le JWST, selon Ni. “Nous poursuivons une maquette d’observations pour les données JWST de la simulation Astrid”, a déclaré Ni.
Les futurs télescopes aideront également, en particulier l’interféromètre spatial LISA de la NASA.
“De plus, le futur observatoire d’ondes gravitationnelles basé sur l’interféromètre laser de la NASA (LISA) nous permettra de mieux comprendre comment ces trous noirs massifs fusionnent et/ou coalescent, ainsi que la structure hiérarchique, la formation et la galaxie. fusions au cours de l’histoire cosmique », a déclaré Ni. “C’est une période passionnante pour les astrophysiciens, et c’est bien que nous puissions avoir une simulation pour permettre des prédictions théoriques pour ces observations.”
