"Les théories précédentes suggéraient que cela ne devrait se produire que lorsque les sites étaient exposés à des niveaux élevés de radiations tueuses de formation d'étoiles, " dit-il. " Alors que nous creusions plus profondément, nous avons vu que ces sites connaissaient une période de croissance extrêmement rapide. C'était la clé. Le caractère violent et turbulent du montage rapide, le violent écrasement des fondations de la galaxie lors de la naissance de la galaxie a empêché la formation normale d'étoiles et a plutôt conduit à des conditions parfaites pour la formation de trous noirs. Cette recherche change le paradigme précédent et ouvre un tout nouveau domaine de recherche. »

La théorie précédente s'appuyait sur un rayonnement ultraviolet intense d'une galaxie voisine pour inhiber la formation d'étoiles dans le halo formant un trou noir, dit Michael Norman, directeur du San Diego Supercomputer Center de l'UC San Diego et l'un des auteurs de l'ouvrage. « Bien que le rayonnement UV soit toujours un facteur, nos travaux ont montré que ce n'est pas le facteur dominant, au moins dans nos simulations, " il expliqua.

La recherche était basée sur la suite Renaissance Simulation, un ensemble de données de 70 téraoctets créé sur le supercalculateur Blue Waters entre 2011 et 2014 pour aider les scientifiques à comprendre comment l'univers a évolué au cours de ses premières années. Pour en savoir plus sur les régions spécifiques où des trous noirs massifs étaient susceptibles de se développer, les chercheurs ont examiné les données de simulation et ont trouvé dix halos spécifiques de matière noire qui auraient dû former des étoiles compte tenu de leur masse, mais qui ne contenaient qu'un nuage de gaz dense. A l'aide du supercalculateur Stampede2, ils ont ensuite re-simulé deux de ces halos—chacun environ 2, 400 années-lumière de diamètre—à une résolution beaucoup plus élevée pour comprendre les détails de ce qui s'y passait 270 millions d'années après le Big Bang.

"Ce n'est que dans ces régions trop denses de l'univers que nous avons vu ces trous noirs se former, " Wise a dit. " La matière noire crée la majeure partie de la gravité, et puis le gaz tombe dans ce potentiel gravitationnel, où il peut former des étoiles ou un trou noir massif."

Les simulations Renaissance sont les simulations les plus complètes des premières étapes de l'assemblage gravitationnel du gaz primitif composé d'hydrogène et d'hélium et de matière noire froide conduisant à la formation des premières étoiles et galaxies. Ils utilisent une technique connue sous le nom de raffinement de maillage adaptatif pour zoomer sur des amas denses formant des étoiles ou des trous noirs. En outre, ils couvrent une région suffisamment grande de l'univers primitif pour former des milliers d'objets - une exigence si l'on s'intéresse aux objets rares, comme c'est le cas ici. "La haute résolution, une physique riche et un grand échantillon de halos qui s'effondrent étaient tous nécessaires pour obtenir ce résultat, " dit Normand.

La résolution améliorée de la simulation effectuée pour deux régions candidates a permis aux scientifiques de voir la turbulence et l'afflux de gaz et d'amas de matière se former lorsque les précurseurs des trous noirs ont commencé à se condenser et à tourner. Leur taux de croissance était spectaculaire.

"Astronomers observe supermassive black holes that have grown to a billion solar masses in 800 million years, " Wise said. "Doing that required an intense convergence of mass in that region. You would expect that in regions where galaxies were forming at very early times."

Another aspect of the research is that the halos that give birth to black holes may be more common than previously believed.

"An exciting component of this work is the discovery that these types of halos, though rare, may be common enough, " said Brian O'Shea, a professor at Michigan State University. "We predict that this scenario would happen enough to be the origin of the most massive black holes that are observed, both early in the universe and in galaxies at the present day."

Future work with these simulations will look at the lifecycle of these massive black hole formation galaxies, studying the formation, growth and evolution of the first massive black holes across time. "Our next goal is to probe the further evolution of these exotic objects. Where are these black holes today? Can we detect evidence of them in the local universe or with gravitational waves?" Regan asked.

For these new answers, the research team—and others—may return to the simulations.

"The Renaissance Simulations are sufficiently rich that other discoveries can be made using data already computed, " said Norman. "For this reason we have created a public archive at SDSC containing called the Renaissance Simulations Laboratory where others can pursue questions of their own."