Décortiquer les graines des premiers trous noirs supermassifs
Publié par Redbran le 03/11/2017 à 12:00
Source: CORDIS-Europa

Vue d'artiste d'un trou noir supermassif
Crédit: ESO/L. Calçada
Même si leur existence ne peut être niée, les astronomes ne savent toujours pas comment se forment les trous noirs supermassifs. Un projet financé par l'UE a tenté de répondre à cette question en simulant la formation et la croissance de leurs graines, des trous noirs qui se créent lors de l'effondrement d'une étoile extrêmement massive (Le mot massif peut être employé comme :).

C'est l'une des questions qui laissent les astronomes les plus perplexes: comment les trous noir supermassifs ont-ils pu se former aux débuts de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)? On a observé des quasars lumineux lointains dont l'existence remonte à une époque où l'Univers était âgé de moins d'un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et précède un...) d'années. Ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) posent un problème, car le processus classique de croissance d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en...) est bien trop lent pour expliquer leur existence.

Il y a des explications possibles. On a ainsi pu dire que ces trous noirs supermassifs étaient nés de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation...) d'étoiles supermassives, de l'effondrement d'immenses nuages de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...), où même de collisions entre des trous noirs plus petits. Mais la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) qui a retenu l'attention du Dr Muhammad Latif est celle selon laquelle ces trous noirs se sont formés à partir de graines de trous noirs extrêmement massives à 'effondrement direct'.

Grâce au financement attribué au projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) FIRSTBHS (The formation of supermassive black holes in the early universe), le Dr Latif a simulé la formation et la croissance de ces graines.

Pourquoi les premiers trous noirs supermassifs sont-ils si intéressants ?

Les premiers trous noirs supermassifs sont très intéressants car ils se sont formés dans un Univers jeune, au cours du premier milliard d'années ayant suivi le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles...), soit une petite fraction de l'âge actuel de l'Univers (13,7 milliards d'années). Ils remettent en question notre compréhension de la formation de la structure de l'Univers.

Utilisons une analogie: supposez que vous vous rendiez dans un jardin d'enfants et que vous y trouviez un enfant mesurant, disons, deux mètres dix. Naturellement, vous vous demanderez comment cet enfant a pu atteindre une taille pareille. C'est la même chose avec ces trous noirs: leurs masses représentent des milliards de fois celle de notre Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) et il est difficile de comprendre comme ils ont pu devenir aussi massifs dans un délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) aussi court, à une époque où les étoiles et les galaxies commençaient à peine à se former.

Plus précisément, avec ce projet, quelles lacunes dans nos connaissances avez-vous cherché à combler ?

Nous avons cherché à déterminer le meilleur moyen d'expliquer la constitution d'objets aussi massifs. Essentiellement, on estime que trois mécanismes astrophysiques auraient pu conduire à la formation des premiers trous noirs supermassifs. Le scénario le plus prometteur est celui de la méthode dite de l'effondrement direct: il produit des 'graines' massives, ce qui facilite leur croissance.

Avec ce projet, nous voulions explorer la viabilité de ce scénario, déterminer la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) et l'abondance des graines qu'il peut produire, comparer leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) avec les observations et étudier en détail les mécanismes astrophysiques sous-jacents. Nous voulions également déterminer leurs signatures observables et faire des prévisions pour les futures missions spatiales et au sol.

Comment avez-vous procédé pour cela ?

Nous avons réalisé ce qu'on appelle des simulations cosmologiques tridimensionnelles à partir de conditions initiales ab initio, en modélisant en détail tous les processus physiques nécessaires.

Selon vous, quels sont les aspects les plus innovants de cette méthodologie ?

Je dirais qu'il s'agit de l'aspect multi-physique de notre simulation cosmologique (La cosmologie portant par essence sur l'origine et le devenir de l'Univers en train d'évoluer, cette discipline ne peut développer une approche expérimentale. À ce...), qui comprenait des modèles chimiques détaillés et des modèles de turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont...) non résolue, des champs magnétiques, un transfert radiatif pour modéliser dans l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.), les effets de retour (feedback) des rayons X provoqués par l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) de trous noirs et d'étoiles, ainsi que l'enrichissement en métaux. Cette approche va au-delà de l'état de l'art dans ce domaine.

Quels sont les résultats les plus importants du projet ?

Nos résultats montrent que le mécanisme d'effondrement direct produit des graines massives de trous noirs représentant 10^5 à 10^6 masses solaires, qui peuvent croître et former les premiers trous noirs supermassifs.

L'Univers primitif offre des conditions idéales à la formation de ces objets. En particulier, les halos massifs éclairés par un puissant flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) d'UV constituent des berceaux possibles pour la formation de trous noirs massifs. Nos résultats suggèrent que ces objets sont rares, car ils exigent des conditions particulières pour se former, mais ce sujet est encore débattu par les experts.

Qu'attendez-vous des missions JWST et ATHENA ?

Nous espérons que le JWST trouvera quelques graines de trou noir, car ces objets distants sont plutôt faibles aux premiers stades. Naturellement, cela dépend également de leur abondance, ce qui reste encore une question ouverte.

ATHENA semble plus prometteur, car il devrait détecter quelques centaines de noyaux actifs de galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux...) faiblement lumineux (z>6), ce qui contribuera à contraindre les modèles de formation des trous noirs (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. De tels...).

Quels sont vos éventuels projets de suivi ?

Nous étudions actuellement la croissance des trous noirs dans l'Univers primitif, sujet pour lequel nous avons réalisé des simulations détaillées. Avec mes collaborateurs, nous essayons de comprendre comment le feedback des trous noirs et des étoiles affecte la croissance des trous noirs, ainsi que le rôle de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...), des flux froids alimentant ces trous noirs, etc. Nous cherchons à obtenir des observables synthétiques pour E-ELT, Euclid, ATHENA, JWST et SKA, et nous espérons que ce type d'approche nous aidera à comprendre la formation et la croissance des premiers trous noirs supermassifs.

pour plus d'information voir: projet sur CORDIS
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