C’est l’une des énigmes de la cosmologie et de l’évolution stellaire: comment les trous noirs supermassifs sont-ils devenus si… eh bien, supermassif…dans l'Univers primitif, alors qu'en apparence il ne s'était pas encore écoulé assez de temps pour qu'ils accumulent leur masse par le biais de processus d'accrétion réguliers seuls? Il faut du temps pour manger un milliard de masses solaires de matière, même avec un appétit sain et beaucoup à portée gravitationnelle. Mais pourtant, ils sont là: les trous noirs de monstres sont communs dans certaines des galaxies les plus éloignées, affichant leur croissance précoce alors que l'Univers venait de fêter son milliardième anniversaire.
Maintenant, des découvertes récentes par des chercheurs de Caltech suggèrent que ces anciens SMB ont été formés par la mort de certains types d'étoiles géantes primordiales, des dinosaures stellaires exotiques qui ont grandi et sont morts jeunes. Au cours de leur effondrement violent non seulement un mais deux des trous noirs se forment, chacun rassemblant sa propre masse avant de finalement se combiner en un seul monstre supermassif.
Regardez une simulation et découvrez comment cela se produit ci-dessous:
D'après un article d'actualité Caltech par Jessica Stoller-Conrad:
Pour enquêter sur les origines des jeunes trous noirs supermassifs, Christian Reisswig, boursier postdoctoral Einstein en astrophysique de la NASA à Caltech et Christian Ott, professeur adjoint d'astrophysique théorique, se sont tournés vers un modèle impliquant des étoiles supermassives. On suppose que ces étoiles géantes, plutôt exotiques, n'existent que pendant une brève période dans les premiers univers.
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Contrairement aux étoiles ordinaires, les étoiles supermassives sont stabilisées contre la gravité principalement par leur propre rayonnement photonique. Dans une étoile très massive, le rayonnement photonique - le flux extérieur de photons qui est généré en raison des températures intérieures très élevées de l'étoile - pousse le gaz de l'étoile vers l'extérieur en opposition à la force gravitationnelle qui attire le gaz vers l'intérieur.
Au cours de sa vie, une étoile supermassive se refroidit lentement en raison de la perte d'énergie par l'émission de rayonnement photonique. Lorsque l'étoile se refroidit, elle devient plus compacte et sa densité centrale augmente lentement. Ce processus dure quelques millions d'années jusqu'à ce que l'étoile ait atteint une compacité suffisante pour que l'instabilité gravitationnelle s'installe et que l'étoile commence à s'effondrer gravitationnellement.
Des études antérieures ont prédit que lorsque les étoiles supermassives s'effondrent, elles conservent une forme sphérique qui peut éventuellement s'aplatir en raison d'une rotation rapide. Cette forme est appelée configuration axisymétrique. En intégrant le fait que les étoiles qui tournent très rapidement sont sujettes à de minuscules perturbations, Reisswig et ses collègues ont prédit que ces perturbations pourraient faire dévier les étoilesnon-des formes axisymétriques lors de l'effondrement. De telles perturbations initialement minuscules augmenteraient rapidement, entraînant finalement l'agglomération du gaz à l'intérieur de l'étoile s'effondrant et la formation de fragments à haute densité.
"La croissance des trous noirs à des échelles supermassives dans le jeune univers ne semble possible que si la masse de" graines "de l’effondrement était déjà suffisamment grande."
- Christian Reisswig, boursier postdoctoral Einstein de la NASA à Caltech
Ces fragments tourneraient autour du centre de l'étoile et deviendraient de plus en plus denses à mesure qu'ils ramassaient de la matière pendant l'effondrement; ils augmenteraient également la température. Et puis, dit Reisswig, "un effet intéressant entre en jeu." À des températures suffisamment élevées, il y aurait suffisamment d'énergie disponible pour faire correspondre les électrons et leurs antiparticules, ou positrons, en ce que l'on appelle des paires électron-positron. La création de paires électron-positon entraînerait une perte de pression, accélérant encore l'effondrement; en conséquence, les deux fragments en orbite deviendraient finalement si denses qu'un trou noir pourrait se former à chaque motte. La paire de trous noirs peut alors se former en spirale avant de fusionner pour devenir un grand trou noir.
«Il s'agit d'une nouvelle découverte», explique Reisswig. "Personne n'a jamais prédit qu'une seule étoile s'effondrant pourrait produire une paire de trous noirs qui fusionneraient ensuite."
Ces résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique la semaine du 11 octobre. Source: Article de presse Caltech par Jessica Stoller-Conrad.
