Cela ne fait guère plus de 50 ans que la communauté scientifique a commencé à prendre l'existence des trous noirs au sérieux, grâce aux travaux des pionniers qu'étaient John Wheeler, Roger PenroseRoger Penrose, Kip Thorne et Stephen HawkingStephen Hawking, sans oublier Yakov Zeldovich et Igor Novikov (il faudrait en réalité ajouter une bonne douzaine de noms supplémentaires).

Rappelons que les trous noirs sont des objets si compacts, pas nécessairement denses, qu'il faudrait dépasser la vitesse de la lumière pour échapper à leur attraction gravitationnelle une fois à l'intérieur d'une région sphérique dont la frontière est définie par ce que l'on appelle un horizon des événements, entourant l'astre. Il n'est nullement nécessaire qu'existe une singularité de l'espace-temps au centre de cette région pour qu'existe un trou noir.

On comprend plutôt bien comment des trous noirs peuvent naître par effondrementeffondrement gravitationnel d'étoiles massives contenant quelques dizaines de massesmasses solaires. On obtient alors ce que l'on appelle des trous noirs stellairestrous noirs stellaires. Il n'en est pas de même avec les trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs contenant de quelques millions à quelques milliards de masses solaires au cœur des galaxiesgalaxies. Ils sont responsables de l'existence des noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies et en particulier ceux découverts depuis 1963 et que l'on appelle des quasars. On sait que ces objets influencent l'évolution des galaxies et surtout que ces astres croissent ensemble, au moins en ce qui concerne les grandes galaxies spiralesgalaxies spirales et elliptiques, car il existe une remarquable relation de proportionnalité entre la masse des trous noirs au cœur de ces galaxies et la masse qu'elles contiennent sous forme d'étoiles.

On a fini par découvrir que même les galaxies nainesgalaxies naines contenaient des trous noirs. Stellaires, cela ne faisait aucun doute, mais massifs, la question a longtemps été sans réponse jusqu'à ce que l'on mette en évidence des trous noirs dits de masses intermédiaires, c'est-à-dire contenant moins de quelques centaines de milliers de masses solaires et plus de quelques centaines de fois celle du SoleilSoleil. C'est par exemple le cas des galaxies NGCNGC 404, NGC 4395, NGC 5102, et NGC 5206, juste à l'extérieur du fameux Groupe LocalGroupe Local de galaxies qui contient notre Voie lactéeVoie lactée et Andromède.

Trois scénarios pour produire des germes de trous noirs supermassifs

Comme l'explique une équipe internationale d'astronomesastronomes, dirigée par des scientifiques de l'université de Cardiff, dans un article en accès libre sur arXiv et qui s'est penchée avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) sur le cas de NGC 404, cette galaxie lenticulairegalaxie lenticulaire naine située à environ 10 millions d'années-lumièreannées-lumière dans la constellation d'Andromèdeconstellation d'Andromède apporte des éléments en faveur de l'une des théories expliquant l'origine des trous noirs supermassifs.

Trois hypothèses ont été principalement avancées. La première, mais qui n'est plus trop favorisée, fait intervenir des trous noirs cosmologiques primordiaux, vestiges de la phase à haute densité du Big BangBig Bang, où de grandes quantités de matièrematière pouvaient s'effondrer gravitationnellement en donnant directement ces trous noirs. La seconde fait intervenir des étoiles exotiquesexotiques très massives, quelques centaines à plusieurs milliers de masses solaires en particulier, faisant partie des toutes premières étoiles du cosmoscosmos observable, celles dites de Population III, nées pendant les premières centaines de millions d'années de l'histoire du cosmos observable. Ces étoiles se seraient alors formées dans les conditions particulières de l'UniversUnivers au moment des âges sombresâges sombres, alors que la matière baryonique à l'origine de toutes les étoiles était constituée d'un mélange presque pur d'hydrogènehydrogène, d'héliumhélium et leurs isotopesisotopes, sans aucune trace d'éléments lourds comme le carbonecarbone, le siliciumsilicium et le ferfer.

Cette différence est d'importance, depuis des milliards d'années, l'existence de poussières silicatées et carbonées est nécessaire pour permettre l'effondrement des nuagesnuages moléculaires et poussiéreux où naissent des pouponnières d'étoiles. En effet, en s'effondrant sous leur propre gravitégravité, ces nuages s'échauffent et il apparaît une pressionpression qui stoppe l'effondrement, sauf si un agent dissipe une partie de la chaleurchaleur dans ces nuages, les conduisant à se refroidir. Au sortir du Big Bang, sans ces poussières, la formation des étoiles ne pouvait pas être la même. De fait, on a également des problèmes pour faire naître des étoiles supermassives qui, après avoir explosé en supernovaesupernovae, pourraient laisser des trous noirs géants contenant bien plus que quelques centaines de masses solaires, les germesgermes des trous noirs supermassifs.

Un effondrement direct en trou noir intermédiaire sans supernovae ?

La dernière hypothèse suppose, toujours à la période où se forment les premières étoiles, que d'immenses nuages de matière s'effondrent en donnant directement des trous noirs de masses intermédiaires.

Dans tous les cas de figure, les trous noirs massifs générés vont ensuite croître en accrétant de la matière, notamment sous la forme des filaments froids qui font aussi croître les galaxies selon le paradigme qui s'est imposé au cours de la décennie passée. Des collisions entre galaxies, suivies de fusionfusion, vont aussi faire coalescer les trous noirs massifs et supermassifs.

Les deux dernières théories conduisent à prévoir des rapports différents entre la masse des trous noirs massifs des premières galaxies et les masses sous forme d'étoiles dans ces galaxies. On peut donc espérer départager les deux modèles en mesurant précisément les masses des trous noirs dans les galaxies naines pour en tirer une loi d'échelle valable pour toutes les galaxies naines.

C'est justement ce que l'on commence à pouvoir faire avec les mesures à haute résolutionrésolution d'Alma qui permettent de voir des détails de l'ordre de 1,5 année-lumière au cœur d'une galaxie comme NGC 404. En mesurant plus précisément les mouvementsmouvements des masses de gazgaz autour du trou noir au cœur de cet astre, également appelé « Mirach's Ghost » (le fantôme de Mirach), car NGC 404 est peu noyée dans l'image observée avec un télescopetélescope de l'étoile Mirach, une estimation améliorée de la masse du trou noir intermédiaire a été obtenue.

Aucune conclusion ferme ne peut encore en être tirée, car il faudra avant cela multiplier le nombre des estimations des masses des trous noirs intermédiaires dans les galaxies naines. Mais, selon le communiqué de l'université de Cardiff, c'est bien le modèle de l'effondrement direct en germes de trous noirs supermassifs après le Big Bang, dont Futura avait également parlé précédemment dans l'article ci-dessous, qui en sort renforcé.

Trous noirs supermassifs : une nouvelle théorie pour leur formation

Article de Nathalie MayerNathalie Mayer publié le 05/07/2019

Les astronomes ont longtemps pensé que tous les trous noirs de notre Univers s'étaient formés à partir de restes d'étoiles. Et que certains étaient devenus supermassifs après avoir accrété de la matière pendant des milliards d'années. Mais des chercheurs avancent aujourd'hui une autre théorie, qu'ils ont baptisée théorie de l'effondrement direct.

À la fin de leur vie, certaines étoiles - typiquement, des étoiles de plusieurs dizaines de masses solaires - s'effondrent sur elles-mêmes. Elles deviennent tellement compactes que même la lumière ne parvient plus à s'en échapper. Elles forment alors un trou noir. Sur le papier, les choses sont presque simples.

Mais ces dernières années, de nombreux trous noirs supermassifs - des trous noirs de milliards de fois la masse du Soleil - ont été découverts. Tous, avec ce que les astronomes qualifient d'important décalage vers le rougedécalage vers le rouge, qui leur permet de donner un âge à ces trous noirs. Selon eux, ils auraient déjà existé alors que notre Univers n'avait pas plus de 800 millions d'années. Des observations qui suggèrent qu'ils ne sont pas nés de l'effondrement d'étoiles puis de l'accrétionaccrétion lente de matière stellaire.

Et des chercheurs de l'université de Western Ontario (Canada) pourraient bien avoir trouvé enfin une explication. Leur modèle repose sur une hypothèse simple. Les trous noirs supermassifs se formeraient en fait très, très rapidement, sur des périodes de temps très, très brèves. Puis cesseraient aussi brusquement de croître.

La présence dans l’Univers primitif de trous noirs supermassifs posait question aux astronomes. Des chercheurs de l’université de Western Ontario pourraient avoir trouvé quelques réponses. © Scott Woods, Université de Western Ontario

La théorie de l’effondrement direct

Une théorie qu'ils ont baptisée la théorie de l'effondrement direct. Car le processus ne fait pas intervenir des restes stellaires. Il repose sur un nouveau modèle mathématique développé à partir du calcul de la fonction de masse de trous noirs supermassifs qui se formeraient sur une période de temps limitée et connaîtraient une croissance en masse très rapide.

« Dans notre scénario de l'effondrement direct, les trous noirs supermassifs n'ont connu qu'une brève période de croissance rapide, puis à cause de toutes les radiations dans l'Univers créées par d'autres trous noirs et étoiles, leur production s'est arrêtée », explique Shantanu Basu, professeur à l'université de Western Ontario.

Ce scénario d'effondrement direct autorise des masses initiales beaucoup plus grandes que ce qui est supposé par le scénario standard de l'effondrement stellaire. Et il peut contribuer dans une large mesure à expliquer les observations réalisées ces dernières années.