Des recherches conjointes dirigées par Michiko Fujii de l'Université de Tokyo démontrent un mécanisme possible de formation de trous noirs de masse intermédiaire dans des amas globulaires, des amas d'étoiles qui pourraient contenir des dizaines de milliers, voire des millions d'étoiles très serrées.
Les toutes premières simulations de formation d'amas massifs étoile par étoile ont révélé que des nuages moléculaires suffisamment denses, les « nids de naissance » des amas d'étoiles, peuvent donner naissance à des étoiles très massives qui évoluent en trous noirs de masse intermédiaire. Les résultats ont été publiés dans la revue Science .
"Des observations antérieures suggèrent que certains amas d'étoiles massifs (amas globulaires) hébergent un trou noir de masse intermédiaire (IMBH)", explique Fujii la motivation du projet de recherche. "Un IMBH est un trou noir d'une masse de 100 à 10 000 masses solaires. Jusqu'à présent, il n'y a eu aucune preuve théorique solide pour montrer l'existence d'un IMBH avec 1 000 à 10 000 masses solaires par rapport à un trou moins massif (masse stellaire) et plus massif. (supermassifs). "
Les nids de naissance peuvent évoquer des images de chaleur et de tranquillité. Ce n’est pas le cas des étoiles. Des amas d’étoiles globulaires se forment dans la tourmente. Les différences de densité provoquent d’abord la collision et la fusion des étoiles. À mesure que les étoiles continuent de fusionner et de croître, les forces gravitationnelles grandissent avec elles.
Les collisions stellaires répétées dans la région centrale et dense des amas globulaires sont appelées collisions incontrôlables. Elles peuvent conduire à la naissance d’étoiles très massives de plus de 1000 masses solaires. Ces étoiles pourraient potentiellement évoluer en IMBH. Cependant, des simulations antérieures d’amas déjà formés suggéraient que les vents stellaires emportaient la majeure partie de leur masse, les laissant trop petits. Pour déterminer si les IMBH pouvaient « survivre », les chercheurs ont dû simuler un cluster alors qu'il était encore en formation.
"Les simulations de formation d'amas d'étoiles étaient difficiles en raison du coût de la simulation", explique Fujii.
"Pour la première fois, nous avons réalisé avec succès des simulations numériques de la formation d'amas globulaires, en modélisant des étoiles individuelles. En résolvant des étoiles individuelles avec une masse réaliste pour chacune, nous avons pu reconstruire les collisions d'étoiles dans un environnement très compact. Pour ces simulations, nous avons avons développé un nouveau code de simulation dans lequel nous pourrions intégrer des millions d'étoiles avec une grande précision."
Dans la simulation, les collisions incontrôlées ont en effet conduit à la formation d’étoiles très massives qui ont évolué vers des trous noirs de masse intermédiaire. Les chercheurs ont également constaté que le rapport de masse entre l'amas et l'IMBH correspondait à celui des observations qui avaient initialement motivé le projet.
"Notre objectif final est de simuler des galaxies entières en résolvant des étoiles individuelles", explique Fujii.
"Il est encore difficile de simuler des galaxies de la taille de la Voie lactée en résolvant des étoiles individuelles à l'aide des superordinateurs actuellement disponibles. Cependant, il serait possible de simuler des galaxies plus petites, telles que les galaxies naines. Nous souhaitons également cibler les premiers amas, les amas d'étoiles formés dans le Univers primitif. Les premiers clusters sont également des lieux où les IMBH peuvent naître. "
