Les ancêtres des trous noirs supermassifs auraient pu se former dans l'Univers jeune sous des conditions beaucoup plus courantes que ce que prévoient les scénarios habituels.
Des quasars très lointains abritent d'énormes trous noirs, alors que l'Univers est encore apparemment trop jeune pour cela : la rapidité de leur formation constitue une énigme pour les astrophysiciens. Pour atteindre rapidement une telle masse, ces objets ont pu commencer leur croissance à partir de « graines » déjà très lourdes.
Vue d'artiste de plusieurs étoiles primordiales.
Crédit: NASA/WMAP Science Team
Une piste passe par des étoiles primordiales démesurées. Pour qu'elles apparaissent, une grande quantité de gaz doit tomber rapidement vers le centre d'un jeune halo de matière. Ce gaz peut alors alimenter une étoile atteignant des dizaines de milliers de masses solaires, avant qu'elle ne donne rapidement naissance à un trou noir massif, la graine massive tant recherchée.
Mais ce n'est pas si simple : quand des molécules d'hydrogène se forment, elles amplifient un refroidissement général et favorisent la naissance de nombreuses étoiles plus petites, empêchant la formation de ces étoiles géantes. Un rayonnement ultraviolet particulier peut cependant casser ces molécules : le gaz reste alors chaud et continue à s'écouler vers le centre du halo de matière.
Les chercheurs ont réalisé 65 simulations détaillées de 15 halos primordiaux. Ils ont fait varier l'intensité de ce rayonnement ainsi que l'histoire de croissance de chaque halo. Leur objectif était de déterminer les conditions capables de maintenir un apport de gaz assez rapide pour fabriquer une étoile supermassive.
Les simulations révèlent une transition lorsque le rayonnement devient modéré à fort. Au-dessus d'un certain niveau, l'écoulement du gaz devient suffisant et les masses stellaires estimées peuvent alors atteindre environ 100 000 fois celle du Soleil.
Ce seuil est important pour estimer le nombre de graines possibles dans un volume d'espace donné. Les environnements soumis à un rayonnement ultraviolet intermédiaire sont naturellement bien plus nombreux que les régions recevant de fortes intensités. Un seuil suffisamment bas pourrait accroître considérablement la quantité de graines formées.