Des scientifiques découvrent le secret de la naissance des premiers trous noirs du cosmos

Il faut beaucoup de temps pour développer un trou noir supermassif, même s’il mange avec voracité. Ainsi, comment les trous noirs supermassifs sont des milliards de fois plus lourds que le soleil formé au cours du premier milliard d’années de l’univers a été un casse-tête persistant.

Mais de nouveaux travaux d’une équipe internationale de cosmologistes suggèrent une réponse : des flux de matière froide formés par de la mystérieuse matière noire, nourrissant de force des trous noirs nés de la mort d’étoiles primitives géantes.

“Il existe une recette pour créer un trou noir avec 100 000 masses solaires à la naissance, et c’est une étoile primordiale avec 100 000 masses solaires”, a déclaré Daniel Whalen, cosmologiste à l’Université de Portsmouth. L’indépendant. “Dans l’univers aujourd’hui, les seuls trous noirs que nous ayons découverts sont tous formés par l’effondrement d’étoiles massives. Cela signifie donc que la masse minimale d’un trou noir devrait probablement être d’au moins trois à quatre masses solaires.”

Mais l’écart 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 sur l’orbite de Pluton. Au cours des 20 dernières années, a déclaré le Dr Whalen, une grande partie de la recherche sur les premiers quasars de l’univers – des centres de galaxies très brillants alimentés par des trous noirs supermassifs – s’est concentrée sur l’ensemble de conditions affinées qui permettraient à une étoile primitive aussi massive de former, façonner.

Mais dans un nouvel article publié dans le magazine La nature, Dr. Whalen et ses collègues utilisent la modélisation par superordinateur de l’évolution cosmique pour montrer qu’au lieu d’évoluer à partir d’un ensemble de conditions très particulières, les étoiles primordiales hypergéantes se forment naturellement et s’effondrent dans les “graines” de quasars à partir d’un ensemble de conditions initiales qui, bien qu’encore relativement rares , sont beaucoup moins délicats. Et tout commence par la matière noire.

“Si vous regardez le contenu total, appelons-le le contenu total masse-énergie de l’univers. 3% de cela est sous la forme de matière que nous comprenons”, a déclaré le Dr. Whalen – matière composée de protons, de neutrons et d’électrons, d’hydrogène, d’hélium, etc. Mais “24 % sont sous 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.”

Autrement dit, la matière noire semble interagir avec la matière normale uniquement par la gravité, et la gravité de la matière noire est ce qui a créé la plus grande structure de coquille de l’univers : la toile cosmique. Dans l’univers primitif, de vastes étendues de matière noire se sont effondrées sous son propre poids en longs filaments, a déclaré le Dr Whalen, entraînant la matière normale, créant un réseau de filaments et leurs intersections.

Des galaxies et des étoiles finiraient par se former dans les filaments et en particulier les intersections riches en matière des filaments.

“Nous les appelons des halos, des halos cosmologiques”, a déclaré le Dr Whalen à propos des intersections, “et nous pensons que les étoiles primordiales se sont d’abord formées là-bas.”

On pensait autrefois que pour former une étoile primordiale suffisamment grande pour former un trou noir supermassif et créer un quasar au cours du premier milliard d’années de l’univers, un halo devrait atteindre des proportions énormes dans des conditions particulières. : aucun autre des étoiles trop proches, la formation d’hydrogène moléculaire pour garder le gaz frais et des flux de gaz supersoniques qui maintiennent le halo turbulent. Tant que le halo est suffisamment frais et turbulent, il ne peut pas être suffisamment cohérent pour s’enflammer comme une étoile, prolongeant sa phase de croissance jusqu’à ce qu’il naisse finalement à une taille massive.

Et une fois qu’une étoile massive s’enflamme, vit sa vie, brûle et s’effondre dans un trou noir, elle doit avoir accès à de grandes quantités de gaz pour devenir supermassive, a déclaré le Dr. Whalen, “parce que le trou noir grossit en engloutissant du gaz”.

Mais au lieu d’exiger des conditions finement réglées pour former une étoile massive et éventuellement un trou noir massif, le Dr. Whalen et ses collègues ont suggéré que le gaz froid circulant dans un halo à partir des filaments définis par la matière noire de la toile cosmique pourrait remplacer la multitude. des facteurs nécessaires à la formation d’étoiles primordiales dans les modèles plus anciens.

“Si les courants d’accrétion froids alimentent la croissance de ces halos, ils doivent marteler ces halos”, a déclaré le Dr Whalen, “les marteler avec tellement 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 courants d’accrétion froids, les chercheurs ont vu la formation de deux étoiles primordiales massives, l’une aussi massive que 31 000 soleils et l’autre aussi massive que 40 000 soleils. Les germes des trous noirs supermassifs.

« C’était magnifiquement simple. Le problème pendant 20 ans a disparu du jour au lendemain », a déclaré le Dr Whalen. Chaque fois que vous avez des courants froids pompant du gaz dans un halo dans la toile cosmique, « vous obtenez tellement de turbulences que vous obtenez une formation d’étoiles supermassives et une formation de graines massives qui produit un énorme graine de quasar.”

C’est une découverte cohérente avec le nombre de quasars observés jusqu’à présent dans l’univers primitif, a-t-il ajouté, notant que les grands halos sont rares à cette époque primitive, tout comme les quasars.

Mais le nouveau travail est une simulation, et les scientifiques aimeraient alors observer la formation d’un premier quasar de l’univers dans la nature. De nouveaux instruments, tels que le télescope spatial James Webb, peuvent rendre cela possible relativement rapidement.

“Webb sera puissant pour en voir un”, a déclaré le Dr. Whalen, peut-être en regardant la naissance des trous noirs dans un million ou deux millions d’années après le Big Bang.

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