Une coupe de l'intérieur d'une étoile supermassive d'environ 55.000 masses solaires débutant son explosion. Il s'agit d'une simulation montrant les courants de matière qui s'élèvent tels des panaches dans un volume dont le rayon est celui de l'orbite de la Terre. © Ken Chen, UCSC

Sciences

Trous noirs supermassifs : des étoiles supergéantes en seraient à l'origine

ActualitéClassé sous :trou noir , cosmologie , électron

-

Comment sont nés les trous noirs supermassifs, dont certains sont à l'origine des quasars, tapis au centre des galaxies ? De nouvelles et récentes simulations numériques consolident une des hypothèses avancées : ils se seraient formés à partir d'étoiles géantes de quelque 100.000 masses solaires. L'étude des ondes gravitationnelles pourrait confirmer, ou pas, ce scénario.

Dès le début des années 1960, l'existence d'étoiles supermassives a été postulée pour expliquer les observations étonnantes concernant les quasars qui venaient tout juste de faire leur apparition en astrophysique (voir article ci-dessous). La luminosité intrinsèque de ces objets semblait difficile à admettre étant donné leur décalage spectral vers le rouge qui indiquait qu'ils étaient très lointains. Des quantités prodigieuses d'énergie devaient être libérées chaque seconde et il n'était pas possible d'en rendre compte à partir de réactions de fusion thermonucléaire. Il était alors plus confortable intellectuellement de supposer l'existence d'étoiles géantes proches de la Voie lactée, voire dans notre Galaxie, mais avec un champ de gravitation si élevé qu'il produisait l'important décalage observé. Cette hypothèse aida à la création de l'astrophysique relativiste car de telles étoiles devaient nécessairement être soumises à des effets non négligeables de la physique d'Einstein concernant le champ de gravitation.

Les quasars sont expliqués aujourd'hui en postulant l'existence de trous noirs supermassifs possédant entre plusieurs millions et plusieurs milliards de masses solaires. Mais cette hypothèse, qui éclaire de nombreuses observations, a conduit à une nouvelle énigme : comment ces objets se sont-ils formés ?

Voire les commentaires en bas de l’article au sujet de cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Durham University

Des étoiles de 100.000 masses solaires comme graines de trous noirs

Les astrophysiciens et les cosmologistes explorent plusieurs pistes, dont un renouveau de l'hypothèse de l'existence des étoiles supermassives relativistes au début de l'histoire du cosmos observable. Nous n'en avons pour le moment observé aucune mais cela n'empêche pas les astrophysiciens numériciens de simuler leur formation et leur comportement sur ordinateur, à travers divers scénarios. L'un des derniers en date à ce sujet provient notamment de chercheurs du fameux Los Alamos National Laboratory, là où a été conçu et fabriqué la première bombe atomique.

Selon Joseph Smidt et ses collègues, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, les premiers trous noirs géants pourraient être nés de l'effondrement direct d'importants nuages d'hydrogène moléculaire et d'hélium ayant conduit à la formation, tout d'abord d'étoiles supermassives de... 100.000 masses solaires ! En s'effondrant gravitationnellement, elles vont ensuite donner naissance à des trous noirs qui vont accréter rapidement du gaz et devenir supermassifs, de l'ordre du milliard de masses solaires. Ils étaient déjà nombreux, un milliard d'années après le Big Bang.

D'autres scénarios sont possibles et il est probable qu'ils opèrent simultanément, rendant compte du spectre de masses des trous noirs supermassifs observés. Il est possible ainsi d'invoquer des fusions précoces de trous noirs massifs.

En ce qui concerne l'existence des étoiles supermassives, la mise en orbite en 2018 du télescope spatial James Webb pourrait contribuer à nous les révéler. À plus longue échéance, si l'on en croit des travaux réalisés l'année dernière par des membres de l'Institute for Computational Cosmology (ICC) de l'université Durham au sein du projet EAGLE et qui ont réalisé des simulations, ces différents scénarios conduisent à des émissions d'ondes gravitationnelles distinctes que l'on devrait pouvoir observer et mesurer avec eLISA, ce qui permettrait de les départager (voir la vidéo ci-dessus).

Pour en savoir plus

Les pistes envisagées sur leur origine énigmatique

Article de Laurent Sacco publié le 11/11/2013

Une des énigmes de l'astrophysique et de la cosmologie concerne l'origine des trous noirs supermassifs occupant le cœur des galaxies. En faisant revivre une vieille hypothèse à l'aide de simulations numériques, un groupe d'astrophysiciens vient de proposer qu'ils se soient formés au sein d'étoiles supermassives dépassant 10.000 masses solaires. En s'effondrant, elles produiraient même deux trous noirs, ce qui est inédit, qui finiraient par fusionner.

Les trous noirs supermassifs contiennent de quelques millions à quelques milliards de masses solaires. On ne comprend pas vraiment comment ils se sont formés. On admet cependant qu'il y a généralement une relation entre la masse de ces trous noirs et la taille des galaxies qui les abritent. Cela suggère donc que ces astres compacts croissent de pair avec les galaxies. Problème : on ne sait pas très bien non plus comment ces dernières grandissent. On pensait que c'était essentiellement lors de fusions entre galaxies plus petites, mais il semble que des courants d'hydrogène froids soient aussi un mécanisme efficace et peut-être tout aussi important pour la formation des grandes galaxies. Lorsque deux galaxies fusionnent, il doit aussi en être de même pour leurs trous noirs supermassifs et ceux-ci doivent continuer à grandir en accrétant des nuages de gaz ou des courants de matière.

On pourrait croire que pendant le premier milliard d'années de l'univers observable, les trous noirs supermassifs n'étaient pas encore les monstres que l'on connaît et qu'ils ont grandi rapidement à partir de trous noirs beaucoup plus petits. Malheureusement, cette hypothèse résiste mal aux observations et aux calculs. Il faut qu'il ait existé assez tôt dans l'histoire du cosmos des graines de trous noirs supermassifs, de masses déjà très importantes. Des simulations conduites par des astrophysiciens du célèbre California Institute of Technology (Caltech) viennent de donner un nouvel éclairage sur ce problème, en faisant intervenir des astres relativistes théorisés pendant les années 1960 : les étoiles supermassives.

Une alternative à la théorie des quasars

En 1963, alors que l'on venait de découvrir les premiers quasars, Fred Hoyle et Williams Fowler refusaient de les considérer comme des objets aussi lointains que leurs décalages spectraux vers le rouge le laissaient entendre. Ils ont préféré postuler l'existence de ces étoiles plutôt que de commencer à admettre que la théorie du Big Bang de Gamow et Lemaître devait être juste.

L'effondrement d'une étoile supermassive a fait l'objet de la simulation numérique que l'on voit sur la gauche de cette vidéo. Sa rotation accélère au fur et à mesure de l'effondrement, de sorte que des instabilités sont amplifiées et génèrent deux noyaux denses finissant par s'effondrer en donnant d'abord deux trous noirs puis un seul. Lors de cette phase ultime, l'étoile perd sa symétrie sphérique et elle commence à rayonner des ondes gravitationnelles, comme le montrent les oscillations en bas à droite de l'image. Un détecteur d'ondes gravitationnelles suffisamment sensible permettrait de détecter ce signal. © SXSCollaboration

Dans le cadre du modèle cosmologique standard de l'époque, dont Hoyle était l'un des créateurs, découvrir que dans le passé (en l'occurrence avec des objets très distants), l'univers était différent d'aujourd'hui, revenait à réfuter l'idée d'un univers éternel sans commencement, ni fin, ni évolution bien qu'en expansion. Avec des étoiles contenant plusieurs millions et même plusieurs milliards de fois la masse du Soleil, le champ de gravitation est si puissant qu'il produit un décalage spectral vers le rouge important. Les quasars n'avaient pas à être situés à des milliards d'années-lumière. Ils pouvaient même être dans la Voie lactée.

Feynman puis Chandrasekhar ne tardèrent pas à découvrir que les effets de la relativité générale rendaient des étoiles aussi massives très instables et qu'elles devaient s'effondrer en trou noir. Les années passant, avec la découverte du rayonnement fossile confirmant la théorie du Big Bang et le développement de la théorie des quasars, les étoiles supermassives ont été reléguées au placard.

Deux trous noirs dans une étoile supermassive

Des chercheurs viennent de les en sortir, comme le démontre l'article qu'ils ont déposé sur arxiv. Ils postulent la formation, par effondrement de nuage de gaz dans un halo de matière noire, d'étoiles ayant des masses comprises entre 104 et 106 masses solaires. En quelques millions d'années, en se refroidissant, ces astres amorcent leur effondrement gravitationnel et tournent de plus en plus vite, et ainsi s'aplatissent et deviennent plus compacts. Il se forme à l'intérieur deux concentrations de matière orbitant l'une autour de l'autre. Devenant plus denses, ces concentrations voient leurs températures grimper. Comme l'avaient déjà prédit en 1965 Igor Novikov et Yakov Zel’dovich, elles finissent par atteindre le seuil d'énergie correspondant à la création de paires d'électron et de positron. Cela rend ces concentrations très instables et elles s'effondrent rapidement pour donner deux trous noirs très massifs.

Ces deux objets vont rapidement se rapprocher l'un de l'autre, car ils perdent de l'énergie cinétique en rayonnant des ondes gravitationnelles. Ils vont finir par fusionner pour donner un trou noir qui a les bonnes propriétés pour grandir suffisamment vite dans le jeune cosmos, et rendre compte de l'existence des trous noirs supermassifs. Si les chercheurs ont raison, il doit exister dans le fond d'ondes gravitationnelles cosmologiques des traces de nombreuses fusions de trous noirs binaires issus de l'effondrement d'étoiles supermassives. Il se peut que l'on puisse les détecter un jour avec des instruments dans l'espace comme Lisa.

Cela vous intéressera aussi

Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter.