Instantanés des simulations montrant la distribution de la matière dans l'Univers au moment de la formation des trous noirs (en haut) et la distribution de la densité des nuages de gaz producteurs de trous noirs (en bas). Dans le panneau du bas, les points noirs près du centre de la figure représentent des étoiles massives, qui sont censés évoluer en un trou noir dans le temps. Les points blancs représentent des étoiles inférieures à 10 masses solaires et formées par la fragmentation du nuage de gaz. Beaucoup d'étoiles plus petites fusionnent avec les étoiles supermassives au centre, permettant aux étoiles massives de se développer efficacement. Crédit :Sunmyon Chon
Des simulations informatiques réalisées par des astrophysiciens de l'Université de Tohoku au Japon, ont révélé une nouvelle théorie sur l'origine des trous noirs supermassifs. Dans cette théorie, les précurseurs des trous noirs supermassifs se développent en engloutissant non seulement du gaz interstellaire, mais aussi des étoiles plus petites. Cela permet d'expliquer le grand nombre de trous noirs supermassifs observés aujourd'hui.
Presque toutes les galaxies de l'Univers moderne ont un trou noir supermassif en leur centre. Leurs masses peuvent parfois atteindre jusqu'à 10 milliards de fois la masse du Soleil. Cependant, leur origine est encore un des grands mystères de l'astronomie. Une théorie populaire est le modèle d'effondrement direct où les nuages primordiaux de gaz interstellaire s'effondrent sous l'auto-gravité pour former des étoiles supermassives qui évoluent ensuite en trous noirs supermassifs. Mais des études antérieures ont montré que l'effondrement direct ne fonctionne qu'avec un gaz vierge composé uniquement d'hydrogène et d'hélium. Des éléments plus lourds tels que le carbone et l'oxygène modifient la dynamique des gaz, provoquant la fragmentation du gaz qui s'effondre en de nombreux nuages plus petits qui forment eux-mêmes de petites étoiles, plutôt que quelques étoiles supermassives. L'effondrement direct du gaz vierge ne peut à lui seul expliquer le grand nombre de trous noirs supermassifs observés aujourd'hui.
Sunmyon Chon, un boursier postdoctoral de la Société japonaise pour la promotion de la science et de l'Université du Tohoku et son équipe ont utilisé le superordinateur de l'Observatoire astronomique national du Japon « ATERUI II » pour effectuer des simulations 3D haute résolution à long terme afin de tester la possibilité que des étoiles supermassives puissent forme même dans le gaz enrichi en éléments lourds. La formation d'étoiles dans les nuages de gaz comprenant des éléments lourds a été difficile à simuler en raison du coût de calcul de la simulation de la séparation violente du gaz, mais les progrès de la puissance de calcul, notamment la grande vitesse de calcul de « ATERUI II » mis en service en 2018, permis à l'équipe de relever ce défi. Ces nouvelles simulations permettent d'étudier plus en détail la formation des étoiles à partir des nuages de gaz.
Vue d'artiste de la formation d'étoiles supermassives qui évoluent en un trou noir supermassif. Crédit :NAOJ
Contrairement aux prédictions précédentes, l'équipe de recherche a découvert que des étoiles supermassives peuvent encore se former à partir de nuages de gaz enrichis en éléments lourds. Comme prévu, le nuage de gaz se brise violemment et de nombreuses étoiles plus petites se forment. Cependant, il y a un fort flux de gaz vers le centre du nuage; les étoiles plus petites sont entraînées par ce flux et sont englouties par les étoiles massives du centre. Les simulations ont abouti à la formation d'une étoile massive 10, 000 fois plus massive que le Soleil. "C'est la première fois que nous montrons la formation d'un si grand précurseur de trou noir dans des nuages enrichis en éléments lourds. Nous pensons que l'étoile géante ainsi formée va continuer à croître et évoluer vers un trou noir géant, " dit Chon.
Ce nouveau modèle montre que non seulement le gaz primordial, mais aussi des gaz contenant des éléments lourds peuvent former des étoiles géantes, qui sont les graines des trous noirs. "Notre nouveau modèle est capable d'expliquer l'origine de plus de trous noirs que les études précédentes, et ce résultat conduit à une compréhension unifiée de l'origine des trous noirs supermassifs, " dit Kazuyuki Omukai, professeur à l'université du Tohoku.
