La nature du processus de formation des trous noirs supermassifs commence à se préciser

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| HST/ALMA/T. Davis

Les trous noirs se déclinent en plusieurs types selon leur masse : trous noirs stellaires, trous noirs intermédiaires et trous noirs supermassifs (SMBH). Ces derniers peuvent posséder des masses égales à plusieurs milliards de masses solaires. Des masses si importantes, au regard de l’âge de l’Univers, posent un problème quant à leur origine et leur mécanisme de formation. Pour tenter de résoudre ce mystère, des astrophysiciens se sont tournés vers le SMBH de plus faible masse jamais détecté, permettant ainsi d’exclure certains modèles de formation par effondrement direct.

Une équipe de recherche dirigée par des astrophysiciens de l’Université de Cardiff, affirme qu’il est possible de mieux comprendre comment un trou noir supermassif (SMBH) se forme grâce à une nouvelle technique qui leur a permis de zoomer sur l’un de ces objets cosmiques énigmatiques avec des détails sans précédent.

Les hypothèses de formation des trous noirs supermassifs

Les chercheurs ne savent pas si les SMBH se sont formées dans les conditions extrêmes peu de temps après le Big Bang, dans un processus appelé effondrement direct, ou ont grandi beaucoup plus tard à partir de trous noirs semence résultant de la mort d’étoiles massives. Si la première hypothèse est correcte, les SMBH naîtraient avec des masses extrêmement grandes — des centaines de milliers à des millions de fois plus massives que notre Soleil — et auraient une taille minimale fixe.

Si c’est plutôt la seconde, les SMBH commenceraient relativement petits, environ 100 fois la masse de notre Soleil, et commenceraient à s’agrandir au fil du temps en se nourrissant des étoiles et des nuages ​​de gaz qui évoluent autour d’eux. Les astronomes s’efforcent depuis longtemps de trouver les SMBH de masse la plus faible, qui sont les chaînons manquants nécessaires pour résoudre ce problème.

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Dans une étude publiée dans la revue MNRAS, l’équipe dirigée par Cardiff a repoussé ces limites, révélant l’un des SMBH de masse la plus faible jamais observée au centre d’une galaxie voisine, pesant moins d’un million de fois la masse de notre Soleil. Le SMBH évolue dans une galaxie connue sous le nom de Fantôme de Mirach, en raison de sa proximité avec une étoile très brillante appelée Mirach, ce qui lui donne une ombre fantomatique.

Certains modèles de formation par effondrement direct exclus

Les résultats ont été obtenus en utilisant une nouvelle technique via le réseau Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). « Le SMBH du Fantôme de Mirach semble avoir une masse dans la plage prédite par les modèles d’effondrement direct. Nous savons qu’il est actuellement actif et avale du gaz, donc certains des modèles les plus extrêmes d’effondrement direct qui ne font que des SMBH très massifs ne peuvent pas être corrects », déclare Tim Davis de l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Cardiff.

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La faible masse (indiquée par un point bleu sur les graphiques) du SMBH a permis d’exclure certains modèles d’effondrement direct. Crédits : Timothy A. Davis et al. 2020

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Un SMBH est le plus grand type de trou noir qui peut être des centaines de milliers, voire des milliards de fois plus massifs que le Soleil. On pense que presque toutes les grandes galaxies, comme la Voie lactée, contiennent un SMBH en leur centre. « Des SMBH ont également été trouvés dans des galaxies très lointaines car ils sont apparus quelques centaines de millions d’années après le Big Bang », explique Marc Sarzi, membre de l’équipe de l’Armagh Observatory & Planetarium.

« Cela suggère qu’au moins certains SMBH auraient pu devenir très massifs en très peu de temps, ce qui est difficile à expliquer selon les modèles de formation et d’évolution des galaxies. Tous les trous noirs se développent lorsqu’ils avalent des nuages ​​de gaz et perturbent les étoiles qui s’aventurent trop près d’eux, mais certains ont une vie plus active que d’autres. La recherche des plus petites SMBH dans les galaxies voisines pourrait donc nous aider à révéler comment les SMBH commencent ».

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Dans leur étude, l’équipe internationale a utilisé des techniques inédites pour zoomer plus loin que jamais auparavant au cœur d’une petite galaxie voisine, appelée NGC404, leur permettant ainsi d’observer les nuages ​​de gaz tourbillonnants qui entouraient la SMBH en son centre. Le télescope ALMA a permis à l’équipe de résoudre les nuages ​​de gaz au cœur de la galaxie, révélant des détails à seulement 1.5 année-lumière de diamètre, ce qui en fait l’une des cartes de gaz à la résolution la plus élevée jamais réalisée dans une autre galaxie.

Sources : MNRAS

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