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Comment les premiers trous noirs supermassifs de l’Univers sont-ils apparus ?

Crédits : iStock

Les plus grands trous noirs de l’Univers pèsent plusieurs milliards de masses solaires. Mais ces monstres cosmiques ont eu du temps pour grossir, se gavant de matière stellaire. Les premiers trous noirs supermassifs, eux, n’ont pas eu cette chance. Alors comment les trous noirs les plus anciens ont-ils pu devenir si grands, quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang ?

Avant d’avoir un trou noir, vous devez normalement passer par la case “étoile massive”. Celle-ci, quand sonne l’heure du trépas, explose en supernova et finit ses jours en trou noir. Or, on observe ces objets supermassifs quelques centaines de millions d’années après la création de l’Univers. Les astronomes estiment pourtant que les “graines” laissées par les premières étoiles ne sont pas assez grandes pour donner naissance à de tels ogres cosmiques. Comment alors sont-ils apparus ? Certains pensent qu’il y avait finalement suffisamment de matière pour grossir. D’autres suggèrent que ces trous noirs ne sont les résultats que de trous noirs plus petits fusionnés aux premiers instants de l’Univers. Mais pourrait-il y avoir une troisième hypothèse ?

Les deux premières idées impliquent en effet la notion de temps. L’Univers, pour former de tels monstres, a en effet besoin de temps. Or, les premiers objets mentionnés ici en ont manqué. Cette nouvelle voie, celle de “l’effondrement direct”, fait fi de cette notion en éliminant une intermédiaire : l’étoile. Certains proposent en effet qu’un nuage de gaz et de poussière suffisamment massif pourrait s’effondrer directement sur lui-même. Les détails de cette étude sont publiés dans la revue Nature.

«Il y a une limite à la vitesse à laquelle un trou noir peut croître, explique à Newsweek Kirk Barrow, de l’Université Stanford (État-Unis) et principal auteur de ces travaux. Une théorie stipule que dans les bonnes conditions, un trou noir massif peut se former directement à partir d’un grand puits d’effondrement de gaz primordial, et atteindre ainsi plus rapidement une masse supérieure».

Et les simulations semblent aller dans ce sens : «À notre surprise, nous avons découvert une réaction en chaîne dans laquelle les rayons X ont entraîné une explosion de formation d’étoiles, qui a ensuite conduit à une vague de supernovae, poursuit le chercheur. C’était un effet que personne n’avait prévu ni même attendu auparavant».

La prochaine étape consistait à déterminer si ce processus, opéré à au moins 13 milliards d’années-lumière (ces trous noirs se sont formés dans le premier milliard d’années suivant le Big Bang), pouvait être observé depuis la Terre.

«Nous nous sommes concentrés sur le diagnostic du futur télescope spatial James Webb, poursuit le chercheur. Nous avons été ravis de constater que JWST serait capable non seulement de détecter, mais aussi de discerner notre scénario simulé à partir d’autres galaxies au début de l’Univers si nos diagnostics s’avéraient corrects. Une observation du JWST serait ensuite suivie par celles d’autres observatoires pour contraindre et caractériser complètement une galaxie hébergeant des trous noirs massifs. Ce serait une grande découverte».

Alors les trous noirs peuvent-ils réellement apparaître suite à l’effondrement direct de nuage de matière ? Pour en avoir le cœur net, nous allons devoir attendre la mise en service du James Webb Telescope – successeur de Hubble – dont la mise en orbite est prévue en 2021.

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