Nous savons enfin comment les premiers trous noirs supermassifs ont pu se former

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| Scott Woods

Les trous noirs supermassifs sont des trous noirs possédant une masse comprise entre plusieurs centaines de milliers et plusieurs milliards de masses solaires. Si les découvertes les concernant se sont enchaînées au cours des dernières années, les scientifiques ayant même obtenu la toute première image d’un trou noir supermassif, leur mécanisme exact de formation est encore inconnu. Dans une récente étude, deux astrophysiciens canadiens avancent une hypothèse de formation par effondrement direct, qui permettrait également d’expliquer l’origine de trous noirs extrêmement massifs dans l’Univers primitif.

Shantanu Basu et Arpan Das du département de physique et d’astronomie de la Western University (Canada) proposent une explication de la distribution observée des masses et des luminosités de trous noirs supermassifs, pour lesquelles il n’existait auparavant aucune explication scientifique. Les résultats ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

Le modèle repose sur une hypothèse très simple : des trous noirs supermassifs se forment très, très rapidement sur des périodes de temps très, très courtes, puis soudainement, ils s’arrêtent. Cette explication contraste avec la compréhension actuelle de la formation des trous noirs de masse stellaire, c’est-à-dire qu’ils apparaissent lorsque le centre d’une étoile très massive s’effondre sur lui-même.

« Il s’agit d’une preuve d’observation indirecte du fait que les trous noirs proviennent d’effondrements directs et non de rémanents stellaires » explique Basu, professeur d’astronomie à Western, reconnu internationalement comme un expert des premiers stades de la formation des étoiles et de l’évolution des disques protoplanétaires.

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Le mécanisme d’effondrement direct à l’origine des trous noirs supermassifs

Basu et Das ont développé le nouveau modèle mathématique en calculant la fonction de masse des trous noirs supermassifs qui se forment sur une période limitée et connaissent une croissance exponentielle rapide. La croissance en masse peut être régulée par la limite d’Eddington, qui est établie par un équilibre entre les forces de radiation et de gravitation, ou peut même faiblement la dépasser.

« Les trous noirs supermassifs n’ont connu qu’une brève période de croissance rapide, puis, à cause de tous les rayonnements de l’univers créés par d’autres trous noirs et étoiles, leur production s’est arrêtée » explique Basu. « C’est le scénario de l’effondrement direct ».

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Schéma expliquant les deux mécanismes potentiellement à l’origine des premiers trous noirs supermassifs : l’effondrement direct ou l’effondrement stellaire. De récents résultats tendent à privilégier la première hypothèse. Crédits : Jenny E. Greene

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Au cours de la dernière décennie, de nombreux trous noirs supermassifs un milliard de fois plus massifs que le Soleil ont été découverts avec un haut redshift, signifiant qu’ils existaient dans l’Univers 800 millions d’années après le Big Bang. La présence de ces trous noirs jeunes et très massifs remet en cause la compréhension actuelle de la formation et de la croissance des trous noirs.

Le scénario d’effondrement direct autorise des masses initiales beaucoup plus importantes que ne le laisse supposer le scénario standard des rémanents stellaires, et peut contribuer dans une large mesure à expliquer les observations.

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Ce nouveau résultat prouve que de tels trous noirs à effondrement direct ont bien été produits dans l’Univers primitif. Basu pense que ces nouveaux résultats peuvent être utilisés avec des observations futures pour déduire l’historique de la formation des trous noirs extrêmement massifs apparus très tôt dans l’Univers.

Sources : The Astrophysical Journal Letters

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