Bien que leur existence soit indéniable, les astronomes du monde entier ne savent toujours pas comment se forment réellement les trous noirs supermassifs. Un projet financé par l'UE a tenté de répondre à cette question en simulant la formation et la croissance de leurs graines - des trous noirs créés lorsqu'une étoile extrêmement massive s'effondre.

C'est l'une des questions les plus déroutantes de l'astronomie :comment des trous noirs supermassifs ont-ils pu se former aux premiers âges cosmiques ? Des quasars lumineux lointains ont été observés qui trahissent leur existence lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années. Mais voici le problème :le processus de croissance conventionnel d'un trou noir est bien trop lent pour permettre leur existence.

Il y a des explications potentielles. Il a été dit, par exemple, que ces trous noirs supermassifs sont nés de l'explosion d'étoiles supermassives, de l'effondrement de gros nuages ​​de gaz, ou même de collisions entre des trous noirs plus petits. La théorie qui a retenu l'attention du Dr Muhammad Latif, cependant, était que de tels trous noirs sont en fait devenus extrêmement grands, trous noirs de graines « à effondrement direct ».

Grâce au financement du projet FIRSTBHS (La formation de trous noirs supermassifs dans l'univers primitif), Le Dr Latif a simulé la formation et la croissance de ces graines.

Qu'est-ce qui rend les premiers trous noirs supermassifs si intéressants ?

Les premiers trous noirs supermassifs sont très intéressants car ils se sont formés dans l'univers infantile, dans le premier milliard d'années après le Bing Bang, seulement une infime fraction de l'âge actuel de l'univers (13,7 milliards d'années). Ils remettent en question notre compréhension de la formation des structures dans l'univers.

Une bonne analogie serait une situation où vous iriez dans un jardin d'enfants et trouveriez un enfant de sept pieds de haut. Vous vous demanderez bien sûr comment ce gamin a pu atteindre une telle taille. C'est la même chose avec ces trous noirs :leurs masses sont des milliards de fois plus grandes que celle de notre Soleil, et il est difficile de comprendre comment ils ont pu devenir si massifs en si peu de temps, quand les étoiles et les galaxies commençaient tout juste à se former.

Plus précisement, quelles lacunes de connaissances avez-vous cherché à combler avec ce projet ?

Nous avons cherché à comprendre quelle serait la manière la plus réalisable d'assembler des objets aussi massifs. Il existe trois principaux mécanismes astrophysiques qui pourraient conduire à la formation des premiers trous noirs supermassifs. Le scénario le plus prometteur est la méthode dite de l'effondrement direct :elle fournit des graines massives, ce qui facilite leur croissance.

Avec ce projet, nous avons cherché à explorer la faisabilité de ce scénario, à quel point les graines qu'il peut fournir sont massives et à quel point elles sont abondantes, comparer leur densité numérique avec les observations et étudier en détail les mécanismes astrophysiques sous-jacents. Nous visions en outre à dériver leurs signatures d'observation et à faire des prédictions pour les prochaines missions spatiales et terrestres.

Comment avez-vous procédé ?

Nous avons réalisé des simulations cosmologiques dites tridimensionnelles à partir des conditions initiales ab initio en modélisant en détail tous les processus physiques nécessaires.

Selon vous, quels sont les aspects les plus innovants de cette méthodologie ?

Je dirais que c'est la multi-physique de notre simulation cosmologique, qui comprenait des modèles de turbulence chimiques et non résolus détaillés, champs magnétiques, transfert radiatif au modèle UV, Rétroaction aux rayons X de l'accrétion du trou noir et des étoiles, ainsi que l'enrichissement des métaux. Cette approche est au-delà de l'état de l'art dans le domaine.

Quelles ont été les conclusions les plus importantes du projet?

Nos résultats montrent que le mécanisme d'effondrement direct fournit des trous noirs massifs de graines de 10^5 à 10^6 masses solaires, qui pourraient se développer pour former les premiers trous noirs supermassifs.

Les conditions de formation de tels objets sont idéales dans l'univers primitif. Particulièrement, les halos massifs immaculés illuminés par un fort flux UV sont les berceaux potentiels de la formation de trous noirs massifs. Nos résultats suggèrent que de tels objets sont rares, car ils nécessitent des conditions spéciales pour se former – mais cela fait encore débat parmi les experts.

Qu'attendez-vous des missions JWST et ATHENA ?

Nous espérons que JWST trouvera certains des trous noirs de graine, car ces objets distants sont assez faibles aux premiers stades. Bien sûr, cela dépend aussi de leur abondance, ce qui est encore une question ouverte.

ATHENA semble plus prometteur, car il est prévu de détecter quelques centaines d'AGN de ​​faible luminosité à z> 6 qui aidera à contraindre les modèles de formation de trous noirs.

Quels sont vos plans de suivi, si seulement?

Nous étudions actuellement la croissance des trous noirs dans l'univers primitif pour lequel nous avons effectué des simulations détaillées. Avec mes collaborateurs, nous essayons de comprendre comment la rétroaction du trou noir et des étoiles affecte la croissance des trous noirs, et aussi le rôle de l'environnement, ruisseaux froids qui alimentent ces trous noirs, etc. Nous visons à dériver des observables synthétiques pour E-ELT, Euclide, ATHENA, JWST et SKA, et nous espérons qu'une telle approche nous aidera à comprendre la formation et la croissance des premiers trous noirs supermassifs.