Les trous noirs se forment quand les étoiles meurent, permettant à la matière en eux de s'effondrer en un objet extrêmement dense d'où même la lumière ne peut s'échapper. Les astronomes théorisent que des trous noirs massifs pourraient également se former à la naissance d'une galaxie, mais jusqu'à présent, personne n'a pu remonter assez loin dans le temps pour observer les conditions créant ces trous noirs à effondrement direct (DCBH).

Le télescope spatial James Webb, lancement prévu en 2021, pourrait peut-être remonter assez loin dans l'univers primitif pour voir une galaxie hébergeant un trou noir massif naissant. Maintenant, une simulation réalisée par des chercheurs du Georgia Institute of Technology a suggéré ce que les astronomes devraient rechercher s'ils recherchent dans le ciel un DCBH à ses débuts.

La simulation unique en son genre, rapporté le 10 septembre dans le journal Astronomie de la nature , suggère que la formation directe de ces trous noirs serait accompagnée de types spécifiques de rayonnement intense, y compris les rayons X et l'émission ultraviolette qui passeraient à l'infrarouge au moment où ils atteindraient le télescope. Les trous noirs engendreraient également probablement des étoiles massives sans métal, une découverte qui était inattendue.

La recherche a été soutenue par la NASA, le Laboratoire national de Los Alamos, la Fondation nationale des sciences, le Southern Regional Education Board et deux bourses théoriques Hubble.

"Il y a des trous noirs supermassifs au centre de nombreuses grandes galaxies, mais nous n'avons pas pu observer la façon dont ils se forment ou comment ils sont devenus aussi gros, " a déclaré Kirk S. S. Barrow, le premier auteur de l'article et un récent doctorat. diplômé de l'école de physique de Georgia Tech. "Les scientifiques ont émis l'hypothèse que ces trous noirs supermassifs auraient pu se former à la naissance d'une galaxie, et nous voulions transformer ces prédictions théoriques en prédictions observationnelles qui pourraient être vues par le télescope spatial James Webb. »

La formation de DCBH serait initiée par l'effondrement d'un grand nuage de gaz lors de la formation précoce d'une galaxie, dit John H. Wise, professeur à la Georgia Tech School of Physics et au Center for Relativistic Astrophysics. Mais avant que les astronomes puissent espérer attraper cette formation, ils devraient savoir quoi chercher dans les spectres que le télescope pourrait détecter, qui est principalement infrarouge.

La formation d'un trou noir pourrait prendre environ un million d'années, mais pour imaginer à quoi cela aurait pu ressembler, L'ancien chercheur postdoctoral Aycin Aykutalp, maintenant au Laboratoire national de Los Alamos, a utilisé le supercalculateur Stampede de l'Université du Texas à Austin, soutenu par la National Science Foundation, pour exécuter une simulation axée sur les conséquences de la formation de DCBH. La simulation a utilisé les premiers principes de la physique tels que la gravité, rayonnement et hydrodynamique.

"Si la galaxie se forme d'abord, puis le trou noir se forme au centre, qui aurait un type de signature, " dit Wise. " Si le trou noir s'est formé en premier, cela aurait-il une signature différente ? Nous voulions savoir s'il y aurait des différences physiques, et si oui, si cela se traduirait par des différences que nous pourrions observer avec le télescope spatial James Webb."

Les simulations ont fourni des informations telles que les densités et les températures, et Barrow a converti ces données en prédictions de ce qui pourrait être observé à travers le télescope - la lumière susceptible d'être observée et comment elle serait affectée par le gaz et la poussière qu'elle aurait rencontrés lors de son long voyage vers la Terre. "À la fin, nous avions quelque chose qu'un observateur pouvait, espérons-le, voir, " a déclaré Barrow.

Les trous noirs mettent environ un million d'années à se former, un saut dans le temps galactique. Dans la simulation DCBH, cette première étape implique l'effondrement du gaz en une étoile supermassive pouvant atteindre 100, 000 fois plus massive que notre soleil. L'étoile subit alors une instabilité gravitationnelle et s'effondre sur elle-même pour former un trou noir massif. Le rayonnement du trou noir déclenche alors la formation d'étoiles sur une période d'environ 500, 000 ans, la simulation a suggéré.

"Les étoiles de cette première génération sont généralement beaucoup plus massives, donc ils vivent moins longtemps, " Wise a dit. " Dans les cinq à six premiers millions d'années après leur formation, ils meurent et deviennent supernova. C'est une autre des signatures que nous rapportons dans cette étude."

Après la forme de supernovae, le trou noir se calme mais crée une lutte entre les émissions électromagnétiques - la lumière ultraviolette et les rayons X essayant de s'échapper - et la propre gravité du trou noir. "Ces cycles durent encore 20 ou 30 millions d'années, " dit Sage.

Les trous noirs sont relativement communs dans l'univers, donc l'espoir est qu'avec suffisamment d'instantanés, les astronomes pourraient en voir un en train de naître, et cela pourrait conduire à une nouvelle compréhension de l'évolution des galaxies au fil du temps.

La formation d'étoiles autour du DCBH était inattendue, mais avec le recul, Ca a du sens, dit Barrow. L'ionisation produite par les trous noirs produirait des réactions photochimiques capables de déclencher la formation des étoiles. Les étoiles sans métal ont tendance à être plus grosses que les autres car l'absence d'un métal tel que le fer empêche la fragmentation. Mais parce qu'ils sont si grands, ces étoiles produisent d'énormes quantités de rayonnement et finissent leur vie en supernovae, il a dit.

"C'est l'un des derniers grands mystères de l'univers primitif, " a déclaré Barrow. "Nous espérons que cette étude constitue un bon pas vers la compréhension de la façon dont ces trous noirs supermassifs se sont formés à la naissance d'une galaxie."