Crédit : Event Horizon Telescope Collaboration
Trous noirs supermassifs, ou SMBHs, sont des trous noirs dont la masse est plusieurs millions à plusieurs milliards de fois la masse de notre soleil. La Voie lactée abrite un SMBH dont la masse est plusieurs millions de fois la masse solaire. Étonnamment, les observations astrophysiques montrent que les SMBH existaient déjà lorsque l'univers était très jeune. Par exemple, un milliard de trous noirs de masse solaire sont découverts alors que l'univers n'avait que 6% de son âge actuel, 13,7 milliards d'années. Comment naissent ces SMBH dans l'univers primitif ?
Une équipe dirigée par un physicien théoricien de l'Université de Californie, Bord de rivière, a trouvé une explication :un trou noir de graine massif que l'effondrement d'un halo de matière noire pourrait produire.
Le halo de matière noire est le halo de matière invisible entourant une galaxie ou un amas de galaxies. Bien que la matière noire n'ait jamais été détectée dans les laboratoires, les physiciens restent convaincus que cette matière mystérieuse qui constitue 85 % de la matière de l'univers existe. Si la matière visible d'une galaxie n'était pas noyée dans un halo de matière noire, cette affaire s'envolerait.
"Les physiciens se demandent pourquoi les SMBH dans l'univers primitif, qui sont situés dans les régions centrales des halos de matière noire, grandir si massivement en peu de temps, " dit Hai-Bo Yu, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UC Riverside, qui a dirigé l'étude publiée dans Lettres de revues astrophysiques . "C'est comme un enfant de 5 ans qui pèse, dire, 200 livres. Un tel enfant nous étonnerait tous parce que nous connaissons le poids typique d'un nouveau-né et à quelle vitesse ce bébé peut grandir. En ce qui concerne les trous noirs, les physiciens ont des attentes générales concernant la masse d'un trou noir de graine et son taux de croissance. La présence de SMBH suggère que ces attentes générales ont été violées, nécessitant de nouvelles connaissances. Et c'est excitant."
Un trou noir de graine est un trou noir à son stade initial, semblable au stade de bébé dans la vie d'un humain.
"On peut penser à deux raisons, " Yu a ajouté. " La graine - ou " bébé " - le trou noir est soit beaucoup plus massif, soit il grandit beaucoup plus vite que nous le pensions, ou les deux. La question qui se pose alors est de savoir quels sont les mécanismes physiques permettant de produire un trou noir de graine suffisamment massif ou d'atteindre un taux de croissance suffisamment rapide ?"
"Il faut du temps pour que les trous noirs deviennent massifs en accrétant la matière environnante, " a déclaré le co-auteur Yi-Ming Zhong, chercheur postdoctoral à l'Institut Kavli de physique cosmologique de l'Université de Chicago. "Notre article montre que si la matière noire a des auto-interactions, l'effondrement gravothermique d'un halo peut conduire à un trou noir suffisamment massif. Son taux de croissance serait plus conforme aux attentes générales."
En astrophysique, un mécanisme populaire utilisé pour expliquer les SMBH est l'effondrement du gaz primitif dans les protogalaxies de l'univers primitif.
« Ce mécanisme, cependant, ne peut pas produire un trou noir de graine assez massif pour accueillir les SMBH nouvellement observés - à moins que le trou noir de graine ait connu un taux de croissance extrêmement rapide, ", a déclaré Yu. "Notre travail fournit une explication alternative:un halo de matière noire à interaction automatique subit une instabilité gravothermique et sa région centrale s'effondre dans un trou noir de graine."
L'explication que Yu et ses collègues proposent fonctionne de la manière suivante :
Les particules de matière noire se regroupent d'abord sous l'influence de la gravité et forment un halo de matière noire. Au cours de l'évolution du halo, deux forces concurrentes, la gravité et la pression, agissent. Alors que la gravité attire les particules de matière noire vers l'intérieur, la pression les pousse vers l'extérieur. Si les particules de matière noire n'ont pas d'auto-interactions, alors, alors que la gravité les tire vers le halo central, ils deviennent plus chauds, C'est, ils vont plus vite, la pression augmente effectivement, et ils rebondissent. Cependant, dans le cas de la matière noire à interaction automatique, les auto-interactions de la matière noire peuvent transporter la chaleur de ces particules "plus chaudes" vers les plus froides proches. Cela rend difficile le rebond des particules de matière noire.
Yu a expliqué que le halo central, qui s'effondrerait dans un trou noir, a un moment cinétique, ce qui signifie qu'il tourne. Les auto-interactions peuvent induire de la viscosité, ou "frottement, " qui dissipe le moment angulaire. Pendant le processus d'effondrement, le halo central, qui a une masse fixe, rétrécit en rayon et ralentit en rotation en raison de la viscosité. Alors que l'évolution se poursuit, le halo central finit par s'effondrer dans un état singulier :un trou noir de graine. Cette graine peut devenir plus massive en accrétant de la matière baryonique - ou visible - environnante telle que le gaz et les étoiles.
"L'avantage de notre scénario est que la masse du trou noir germe peut être élevée puisqu'elle est produite par l'effondrement d'un halo de matière noire, " dit Yu. " Ainsi, il peut se transformer en un trou noir supermassif dans un délai relativement court."
Le nouveau travail est nouveau en ce sens que les chercheurs identifient l'importance des baryons - des particules atomiques et moléculaires ordinaires - pour que cette idée fonctionne.
"D'abord, on montre la présence de baryons, comme le gaz et les étoiles, peut accélérer considérablement le début de l'effondrement gravothermique d'un halo et un trou noir de graine pourrait être créé suffisamment tôt, " dit Wei-Xiang Feng, Étudiant diplômé de Yu et co-auteur de l'article. "Seconde, nous montrons que les auto-interactions peuvent induire une viscosité qui dissipe le reste de moment cinétique du halo central. Troisième, nous développons une méthode pour examiner la condition de déclenchement de l'instabilité relativiste générale du halo effondré, ce qui garantit qu'un trou noir pourrait se former si la condition est remplie. »
Durant la dernière décennie, Yu a exploré de nouvelles prédictions des auto-interactions de la matière noire et de leurs conséquences observationnelles. Ses travaux ont montré que la matière noire à interaction automatique peut fournir une bonne explication du mouvement observé des étoiles et du gaz dans les galaxies.
« Dans de nombreuses galaxies, les étoiles et le gaz dominent leurs régions centrales, " dit-il. " Ainsi, il est naturel de se demander comment la présence de cette matière baryonique affecte le processus d'effondrement. Nous montrons que cela accélérera le début de l'effondrement. Cette caractéristique est exactement ce dont nous avons besoin pour expliquer l'origine des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif. Les auto-interactions conduisent également à une viscosité qui peut dissiper le moment angulaire du halo central et aider davantage le processus d'effondrement."
Le document de recherche est intitulé « Semer des trous noirs supermassifs avec de la matière noire à interaction automatique :un scénario unifié avec des baryons ».