Ils sont des milliards de fois plus gros que notre Soleil :comment est-il possible que, comme observé récemment, les trous noirs supermassifs étaient déjà présents lorsque l'Univers, maintenant 14 milliards d'années, avait "juste" 800 millions d'années ? Pour les astrophysiciens, la formation de ces monstres cosmiques en si peu de temps est un véritable casse-tête scientifique, ce qui soulève d'importantes questions sur les connaissances actuelles du développement de ces astres.

Un article récent publié dans Le Journal d'Astrophysique , par le doctorat SISSA. l'étudiant Lumen Boco et son superviseur Andrea Lapi, offre une explication possible à l'épineuse question. Grâce à un modèle original théorisé par les scientifiques de Trieste, l'étude propose un processus de formation très rapide dans les phases initiales du développement des trous noirs supermassifs, ceux jusqu'à présent considérés comme plus lents. Prouver, mathématiquement, que leur existence était possible dans le jeune Univers, les résultats de la recherche concilient le timing nécessaire à leur croissance avec les limites imposées par l'âge du Cosmos. La théorie peut être entièrement validée grâce aux futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles à savoir le télescope Einstein et LISA, mais testé dans plusieurs aspects de base également avec le système Advanced LIGO/Virgo actuel.

Le monstre cosmique qui pousse au centre des galaxies

Les scientifiques ont commencé leur étude avec une preuve observationnelle bien connue :la croissance des trous noirs supermassifs se produit dans les régions centrales des galaxies, ancêtres des galaxies elliptiques actuelles, qui avait une teneur en gaz très élevée et dans laquelle la formation stellaire était extrêmement intense. "Les plus grandes étoiles vivent peu de temps et évoluent très rapidement en trous noirs stellaires, aussi grand que plusieurs dizaines de masses solaires; ils sont petits, mais beaucoup se forment dans ces galaxies." Le gaz dense qui les entoure, expliquent Boco et Lapi, a un effet définitif très puissant de frottement dynamique et les fait migrer très rapidement vers le centre de la galaxie. La majorité des nombreux trous noirs qui atteignent les régions centrales se confondent, créant la graine de trou noir supermassif.

Boco et Lapi poursuivent :« Selon les théories classiques, un trou noir supermassif se développe au centre d'une galaxie capturant la matière environnante, principalement du gaz, "le faire grandir" sur lui-même et finalement le dévorer à un rythme proportionnel à sa masse. Pour cette raison, pendant les phases initiales de son développement, quand la masse du trou noir est petite, la croissance est très lente. À tel point que, d'après les calculs, atteindre la masse observée, des milliards de fois celle du Soleil, il faudrait beaucoup de temps, encore plus grand que l'âge du jeune Univers." Leur étude, cependant, a montré que les choses pouvaient aller beaucoup plus vite que cela.

La course folle des trous noirs :ce que les scientifiques ont découvert

"Nos calculs numériques montrent que le processus de migration dynamique et de fusion des trous noirs stellaires peut faire en sorte que la graine de trou noir supermassif atteigne une masse comprise entre 10, 000 et 100, 000 fois celle du Soleil en seulement 50 à 100 millions d'années." À ce stade, disent les chercheurs, "la croissance du trou noir central en fonction de l'accrétion directe de gaz précitée, envisagé par la théorie standard, deviendra très rapide, car la quantité de gaz qu'elle parviendra à attirer et à absorber deviendra immense, et prédominant sur le processus que nous proposons. Néanmoins, justement le fait de partir d'une si grosse graine comme prévu par notre mécanisme accélère la croissance globale du trou noir supermassif et permet sa formation, aussi dans le Jeune Univers. En bref, à la lumière de cette théorie, nous pouvons affirmer que 800 millions d'années après le Big Bang, Des trous noirs supermassifs pourraient déjà peupler le Cosmos."

"Regarder" les graines de trous noirs supermassifs pousser

L'article, en plus d'illustrer le modèle et de démontrer son efficacité, propose également une méthode pour le tester :« La fusion de nombreux trous noirs stellaires avec la graine du trou noir supermassif au centre produira des ondes gravitationnelles que nous espérons voir et étudier avec les détecteurs actuels et futurs, " expliquent les chercheurs. En particulier, les ondes gravitationnelles émises dans les phases initiales, lorsque la graine du trou noir central est encore petite, sera identifiable par les détecteurs actuels comme Advanced LIGO/Virgo et entièrement caractérisable par le futur télescope Einstein. Les phases ultérieures de développement du trou noir supermassif pourraient être étudiées grâce au futur détecteur LISA, qui sera lancé dans l'espace vers 2034. Ainsi, expliquent Boco et Lapi, « le processus que nous proposons peut être validé dans ses différentes phases, de manière complémentaire, par les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles."

« Cette recherche » conclut Andrea Lapi, coordinateur du groupe Astrophysique et Cosmologie de SISSA, "montre comment les étudiants et chercheurs de notre groupe abordent pleinement la nouvelle frontière des ondes gravitationnelles et de l'astronomie multi-messagers. En particulier, notre objectif principal sera de développer des modèles théoriques, comme celui conçu dans ce cas, qui servent à capitaliser sur les informations issues des expériences d'ondes gravitationnelles actuelles et futures, fournissant ainsi, espérons-le, des solutions aux problèmes non résolus liés à l'astrophysique, cosmologie et physique fondamentale."