Dans le vaste jardin de l'univers, les trous noirs les plus lourds se sont développés à partir de graines. Nourris par le gaz et la poussière qu'ils ont consommés, ou en fusionnant avec d'autres objets denses, ces graines ont grandi en taille et en poids pour former les centres des galaxies, comme notre propre Voie Lactée. Mais contrairement au domaine des plantes, les graines des trous noirs géants devaient être des trous noirs, trop. Et personne n'a encore trouvé ces graines.

Une idée est que les trous noirs supermassifs - l'équivalent de centaines de milliers à des milliards de Soleils en masse - se sont développés à partir d'une population de trous noirs plus petits qui n'a jamais été vu. Ce groupe insaisissable, les "trous noirs de masse intermédiaire, " pèserait entre 100 et 100, 000 Soleils. Parmi les centaines de trous noirs trouvés à ce jour, il y en a eu beaucoup de relativement petits, mais aucun à coup sûr dans la gamme de masse intermédiaire "désert".

Les scientifiques travaillent avec de puissants télescopes spatiaux de la NASA, ainsi que d'autres observatoires, pour traquer des objets lointains qui correspondent à la description de ces entités exotiques. Ils ont trouvé des dizaines de candidats possibles et s'efforcent de les confirmer comme des trous noirs. Mais même s'ils le font, cela ouvre un tout nouveau mystère :comment les trous noirs de masse intermédiaire se sont-ils formés ?

"Ce qui est fascinant, et pourquoi les gens ont passé tant de temps à essayer de trouver ces trous noirs de masse intermédiaire, est parce qu'il met en lumière les processus qui se sont produits dans l'univers primitif - quelles étaient les masses de trous noirs reliques, ou de nouveaux mécanismes de formation de trous noirs auxquels nous n'avons pas encore pensé, " a déclaré Fiona Harrison, professeur de physique au Caltech de Pasadena, Californie, et chercheur principal de la mission NuSTAR de la NASA, qui est géré par le Jet Propulsion Laboratory.

Trou noir 101

Un trou noir est un objet extrêmement dense dans l'espace duquel aucune lumière ne peut s'échapper. Lorsque la matière tombe dans un trou noir, il n'a aucune issue. Et plus un trou noir en mange, plus il grandit en masse et en taille.

Les plus petits trous noirs sont appelés "masse stellaire, " avec entre 1 et 100 fois la masse du Soleil. Ils se forment lorsque les étoiles explosent dans des processus violents appelés supernovae.

Trous noirs supermassifs, d'autre part, sont les ancres centrales des grandes galaxies, par exemple, notre Soleil et toutes les autres étoiles de la Voie lactée orbitent autour d'un trou noir appelé Sagittaire A* qui pèse environ 4,1 millions de masses solaires. Un trou noir encore plus lourd - à un énorme 6,5 milliards de masses solaires - sert de pièce maîtresse à la galaxie Messier 87 (M87). Le trou noir supermassif de M87 apparaît dans la célèbre image du télescope Event Horizon, montrant un trou noir et son « ombre » pour la toute première fois. Cette ombre est causée par l'horizon des événements, le point de non-retour du trou noir, plier et capturer la lumière avec sa forte gravité.

Les trous noirs supermassifs ont tendance à avoir des disques de matière autour d'eux, appelés "disques d'accrétion, " fait d'extrêmement chaud, particules de haute énergie qui brillent à mesure qu'elles se rapprochent de l'horizon des événements, la région de non-retour du trou noir. Ceux qui font briller leurs disques parce qu'ils mangent beaucoup sont appelés "noyaux galactiques actifs".

La densité de matière nécessaire pour créer un trou noir est ahurissante. Pour faire un trou noir 50 fois la masse du Soleil, vous auriez à emballer l'équivalent de 50 soleils dans une boule de moins de 200 miles (300 kilomètres) de diamètre. Mais dans le cas de la pièce maîtresse de M87, c'est comme si 6,5 milliards de Soleils étaient comprimés en une boule plus large que l'orbite de Pluton. Dans les deux cas, la densité est si élevée que le matériau d'origine doit s'effondrer en une singularité – une déchirure dans le tissu de l'espace-temps.

La clé du mystère des origines des trous noirs est la limite physique à leur vitesse de croissance. Même les monstres géants au centre des galaxies ont des limites sur leurs frénésie alimentaire, car une certaine quantité de matière est repoussée par le rayonnement de haute énergie provenant de particules chaudes accélérées près de l'horizon des événements. Juste en mangeant la matière environnante, un trou noir de faible masse pourrait seulement doubler sa masse en 30 millions d'années, par exemple.

"Si vous partez d'une masse de 50 masses solaires, vous ne pouvez tout simplement pas le faire croître à 1 milliard de masses solaires sur 1 milliard d'années, " a déclaré Igor Chilingarian, un astrophysicien au Smithsonian Astrophysical Observatory à Cambridge, Massachusetts, et l'Université d'État de Moscou. Mais « comme nous le savons, il y a des trous noirs supermassifs qui existent moins d'un milliard d'années après la formation de l'univers."

Comment faire un trou noir que vous ne pouvez pas voir

Au début de l'histoire de l'univers, la graine d'un trou noir de masse intermédiaire pourrait s'être formée soit à partir de l'effondrement d'un grand, nuage de gaz dense ou d'une explosion de supernova. Les toutes premières étoiles qui ont explosé dans notre univers avaient de l'hydrogène pur et de l'hélium dans leurs couches externes, avec des éléments plus lourds concentrés dans le noyau. C'est une recette pour un trou noir beaucoup plus massif que l'explosion d'étoiles modernes, qui sont "polluées" par des éléments lourds dans leurs couches externes et perdent donc plus de masse à cause de leurs vents stellaires.

"Si nous formons des trous noirs avec 100 masses solaires au début de l'univers, certains d'entre eux devraient fusionner, mais vous devriez alors produire toute une gamme de masses, et puis certains d'entre eux devraient toujours être là, " a déclaré Tod Strohmayer, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Donc alors, où sont-ils s'ils se sont formés ?"

Un indice que des trous noirs de masse intermédiaire pourraient encore exister est venu de l'observatoire d'ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser de la National Science Foundation (LIGO), une collaboration entre Caltech et le Massachusetts Institute of Technology. détecteurs LIGO, combiné avec une installation européenne en Italie nommée Virgo, produisent de nombreuses fusions différentes de trous noirs à travers des ondulations dans l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles.

En 2016, LIGO a annoncé l'une des découvertes scientifiques les plus importantes du dernier demi-siècle :la première détection d'ondes gravitationnelles. Spécifiquement, les détecteurs basés à Livingston, Louisiane, et Hanford, Washington, a capté le signal de la fusion de deux trous noirs. Les masses de ces trous noirs - 29 et 36 fois la masse du Soleil, respectivement — des scientifiques surpris. Bien qu'il ne s'agisse pas encore techniquement de masses intermédiaires, ils sont assez grands pour soulever les sourcils.

Il est possible que tous les trous noirs de masse intermédiaire aient déjà fusionné, mais aussi que la technologie n'a pas été affinée pour les localiser.

Alors, où sont-ils ?

La recherche de trous noirs dans le désert de masse intermédiaire est délicate car les trous noirs eux-mêmes n'émettent aucune lumière. Cependant, les scientifiques peuvent rechercher des signes révélateurs spécifiques à l'aide de télescopes sophistiqués et d'autres instruments. Par exemple, parce que le flux de matière sur un trou noir n'est pas constant, l'agglutination de la matière consommée provoque certaines variations du rendement lumineux dans l'environnement. De tels changements peuvent être observés plus rapidement dans les petits trous noirs que dans les plus grands.

"Sur une échelle de temps d'heures, vous pouvez faire la campagne d'observation qui pour les noyaux galactiques actifs classiques prend des mois, " a déclaré Chilingarien.

Le candidat trou noir de masse intermédiaire le plus prometteur est appelé HLX-1, avec une masse d'environ 20, 000 fois celui du Soleil. HLX-1 signifie "Hyper-Luminous X-ray Source 1, " et sa production d'énergie est beaucoup plus élevée que celle des étoiles semblables au Soleil. Elle a été découverte en 2009 par l'astronome australien Sean Farrell, à l'aide du télescope spatial à rayons X XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne. Une étude de 2012 utilisant les télescopes spatiaux Hubble et Swift de la NASA a trouvé des suggestions d'un amas de jeunes étoiles bleues en orbite autour de cet objet. C'était peut-être autrefois le centre d'une galaxie naine qui a été avalée par la plus grande galaxie ESO 243-49. De nombreux scientifiques considèrent HLX-1 comme un trou noir éprouvé de masse intermédiaire, dit Harrison.

"Les couleurs de la lumière des rayons X qu'il émet, et juste la façon dont il se comporte, ressemble beaucoup à un trou noir, " a dit Harrison. " Beaucoup de gens, y compris mon groupe, avoir des programmes pour trouver des choses qui ressemblent à HLX-1, mais jusqu'à présent, aucun n'est cohérent. Mais la chasse continue."

Les objets moins brillants qui pourraient être des trous noirs de masse intermédiaire sont appelés sources de rayons X ultralumineuses, ou ULX. Un ULX scintillant appelé NGC 5408 X-1 a particulièrement intrigué les scientifiques à la recherche de trous noirs de masse intermédiaire. Mais les observatoires à rayons X NuSTAR et Chandra de la NASA ont étonné les scientifiques en révélant que de nombreux objets ULX ne sont pas des trous noirs. Au lieu, ce sont des pulsars, des restes stellaires extrêmement denses qui semblent pulser comme des phares.

M82 X-1, la source de rayons X la plus brillante de la galaxie M82, est un autre objet très brillant qui semble scintiller sur des échelles de temps compatibles avec un trou noir de masse intermédiaire. Ces changements de luminosité sont liés à la masse du trou noir et sont causés par le matériau en orbite près de la région interne du disque d'accrétion. Une étude de 2014 a examiné les variations spécifiques de la lumière des rayons X et a estimé que M82 X-1 a une masse d'environ 400 Soleils. Les scientifiques ont utilisé les données d'archives du satellite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) de la NASA pour étudier ces variations de luminosité des rayons X.

Plus récemment, les scientifiques ont étudié un plus grand groupe de trous noirs possibles de masse intermédiaire. En 2018, Chilingarian et ses collègues ont décrit un échantillon de 10 candidats en analysant à nouveau les données optiques du Sloan Digital Sky Survey et en faisant correspondre les perspectives initiales avec les données radiographiques de Chandra et XMM-Newton. Ils effectuent maintenant un suivi avec des télescopes au sol au Chili et en Arizona. Mar Mezcua de l'Institut espagnol des sciences spatiales a dirigé une étude distincte en 2018, en utilisant également les données Chandra, trouver 40 trous noirs en croissance dans des galaxies naines qui pourraient se trouver dans cette gamme spéciale de masse intermédiaire. Mais Mezcua et ses collaborateurs soutiennent que ces trous noirs se sont formés à l'origine lors de l'effondrement de nuages ​​​​géants plutôt que lors d'explosions stellaires.

Et après

Les galaxies naines sont des endroits intéressants pour continuer à chercher car, en théorie, des systèmes stellaires plus petits pourraient héberger des trous noirs de masse beaucoup plus faible que ceux trouvés dans les centres de galaxies plus grandes comme la nôtre.

Les scientifiques recherchent également des amas globulaires - des concentrations sphériques d'étoiles situées à la périphérie de la Voie lactée et d'autres galaxies - pour la même raison.

"Il se pourrait qu'il y ait des trous noirs comme ça, dans des galaxies comme ça, mais s'ils n'accumulent pas beaucoup de matière, il peut être difficile de les voir, " a déclaré Strohmayer.

Les chasseurs de trous noirs de masse intermédiaire attendent avec impatience le lancement du télescope spatial James Webb de la NASA, qui remontera à l'aube des premières galaxies. Webb aidera les astronomes à déterminer ce qui est arrivé en premier - la galaxie ou son trou noir central - et comment ce trou noir a pu être formé. En combinaison avec des observations aux rayons X, Les données infrarouges de Webb seront importantes pour identifier certains des candidats trous noirs les plus anciens.

Un autre nouvel outil lancé en juillet par l'agence spatiale russe Roscosmos s'appelle Spectrum X-Gamma, un vaisseau spatial qui scrutera le ciel en rayons X, et transporte un instrument avec des miroirs développé et construit avec le NASA Marshall Space Flight Center à Huntsville, Alabama. Les informations sur les ondes gravitationnelles provenant de la collaboration LIGO-Virgo aideront également à la recherche, de même que la mission d'antenne spatiale interférométrique laser (LISA) prévue par l'Agence spatiale européenne.

Ce parc de nouveaux instruments et technologies, en plus des actuels, aidera les astronomes alors qu'ils continuent à parcourir le jardin cosmique à la recherche de graines de trous noirs, et des galaxies comme la nôtre.