Les trous noirs dans l'univers primitif posent un problème. Sur la base d'observations de télescopes sur Terre et dans l'espace, nous savons que certains trous noirs ont atteint un milliard de fois la masse du soleil un milliard d'années seulement après le Big Bang. Nos modèles actuels de croissance des trous noirs, cependant, ne peut pas expliquer cette vitesse de croissance. Alors, comment ces trous noirs supermassifs sont-ils apparus ?

C'est un problème qui a longtemps tourmenté les astronomes. Notre compréhension actuelle suggère que dans ce laps de temps, uniquement des trous noirs dits de masse intermédiaire jusqu'à 100, 000 fois la masse de notre Soleil aurait dû pouvoir croître. Et tandis que plusieurs théories pour cette croissance rapide précoce des trous noirs ont été proposées, la réponse reste insaisissable.

"C'est encore un énorme problème en astrophysique, " a déclaré le Dr John Regan, un astrophysicien de la Dublin City University, Irlande.

Des trous noirs se forment après qu'une étoile massive tombe à court de carburant, parfois résultant d'une supernova et d'autres fois sans supernova, ce qu'on appelle le scénario d'effondrement direct. Une fois qu'une étoile n'a plus de carburant à brûler, il ne peut plus supporter sa masse et s'effondre. Si la masse de l'étoile était assez grande, il s'effondrera en un objet avec une immense attraction gravitationnelle d'où rien, même pas de lumière, peut s'échapper - un trou noir.

Au fur et à mesure que le trou noir attire de plus en plus de poussière et de gaz à proximité, il peut grossir, atteignant finalement les proportions gigantesques d'un trou noir supermassif, comme le tout premier jamais photographié en avril 2019. Les scientifiques étudient maintenant si des trous noirs supermassifs auraient pu se former à partir d'étoiles supermassives qui se sont effondrées pour former de grands trous noirs "graines", leur donner une longueur d'avance dans leur croissance.

Le Dr Regan a coordonné un projet appelé SmartStars, qui utilisait l'un des supercalculateurs les plus puissants d'Irlande, ICHEC, pour modéliser comment les étoiles supergéantes pourraient fournir les graines de trous noirs supermassifs. L'équipe voulait voir si ces étoiles pouvaient expliquer la croissance rapide des trous noirs supermassifs, que nous voyons au centre de presque toutes les galaxies aujourd'hui.

250, 000

Ils ont découvert que de telles étoiles pouvaient atteindre 250, 000 fois la masse du soleil dans les 200 millions d'années suivant le Big Bang, un résultat alléchant. Cependant, même les supercalculateurs ont leurs limites. Les chercheurs n'ont pu modéliser l'avenir de telles étoiles que pendant un million d'années, mais la modélisation doit couvrir 800 millions d'années pour voir si ces étoiles pourraient vraiment être les graines de trous noirs supermassifs.

"C'est vraiment un excellent point de départ, " a déclaré le Dr Regan. " Avec la prochaine génération de superordinateurs, nous serons en mesure d'amener ces simulations de plus en plus loin. "

D'autres théories sur la croissance si rapide de ces trous noirs sont qu'une infime fraction des trous noirs s'est développée à des taux incroyables, ou que des trous noirs plus petits ont fusionné pour devenir un trou noir supermassif.

Dr Muhammad Latif, astrophysicien à l'Université des Emirats Arabes Unis à Abu Dhabi, est d'accord avec le Dr Regan pour dire que le modèle d'étoile supermassive reste notre meilleure théorie pour le moment. Le Dr Latif était le chercheur principal du projet FIRSTBHs qui, comme SmartStars, a étudié la plausibilité du modèle d'étoile supermassive, en utilisant des simulations sur un supercalculateur en France.

Son projet, qui a été réalisée au CNRS en France, ont montré que les étoiles supermassives pouvaient produire des trous noirs de graines des centaines de milliers de fois la masse de notre soleil. "Nous avons trouvé que cette méthode est fondamentalement faisable, " a déclaré le Dr Latif, expliquant que ces trous noirs initiaux sont suffisamment grands pour expliquer la croissance de trous noirs supermassifs d'un milliard de masses solaires dans un petit laps de temps.

Cependant, il faut que les conditions dans l'univers primitif aient été parfaites pour que ces trous noirs se forment. De grandes quantités de matériau composé d'hydrogène et d'hélium seraient nécessaires pour former suffisamment de trous noirs massifs pour produire des trous noirs supermassifs, ce qui semble avoir été possible.

Mais d'autres facteurs inexpliqués signifient qu'il s'agit toujours d'une question ouverte. Les trous noirs de graine auraient besoin d'attirer la matière à un taux d'au moins 0,1 masse solaire par an, par exemple, et pour le moment, il n'est pas clair si cela est possible.

Observatoires

Plusieurs observatoires nous permettent déjà de sonder avec beaucoup de détails les trous noirs dans l'univers primitif. En octobre 2019, les astronomes ont annoncé qu'ils avaient utilisé l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili pour trouver un anneau épais de poussière et de gaz autour d'un trou noir supermassif à l'intérieur d'une galaxie lointaine. Avec deux flux de gaz tournant dans des directions opposées, it's thought this ring could have fed the supermassive black hole with enough material to cause it to grow rapidly.

Précédemment, in August 2019, NASA's Chandra X-ray Observatory managed to spot a so-called 'cloaked' black hole growing rapidly when the universe was just 6% of its current age. A thick cloud of gas hides the black hole and its resulting quasar, a bright region of superheated material that surrounds it, but Chandra was able to spot it by seeing X-rays emerge from the cloud.

Cependant, future telescopes will likely be needed to study the rapid growth of supermassive black holes in even more detail. Par exemple, while we can predict the existence of seed black holes, we can't yet see them. NASA's upcoming James Webb Space Telescope (JWST), due to launch in 2021, may be capable of spotting some of the undiscovered seed black holes.

The European Space Agency's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), pendant ce temps, set to launch in 2031, should give us an even better understanding of how supermassive black holes arise.

"People are quite hopeful that we will get a rather better picture with the ATHENA mission, " said Dr. Latif. And maybe soon, we'll finally know how these huge objects grew so big in such a short space of time.

"It's like going to kindergarten and finding a seven-feet tall baby, " added Dr. Latif.