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Les premiers trous noirs géants étaient-ils faits de matière noire ?

ActualitéClassé sous :Astronomie , matière noire , amas de galaxie

Quelle est l'origine des trous noirs géants au cœur des galaxies ? Selon un groupe d'astrophysiciens britanniques, les premiers trous noirs supermassifs au début de l'histoire de l'Univers pourraient s'être formés par l'effondrement gravitationnel de distributions de matière noire similaires aux halos des amas de galaxies.

Une image prise avec le télescope Hubble de l'amas de galaxies riche en matière noire Abell 2218. Des effets de lentille gravitationnelle sont bien visibles. Crédit : Andrew Fruchter

De spéculations théoriques aussi peu crédibles que la pierre philosophale, au milieu du vingtième siècle, les trous noirs sont devenus aujourd'hui des objets astrophysiques communs que l'on retrouve partout dans l'Univers. Les plus frappants sont sans aucun doute les trous noirs supermassifs dont les masses s'échelonnent entre quelques millions et quelques milliards de masses solaires.

Si les astrophysiciens relativistes connaissent maintenant assez bien les propriétés des trous noirs de Kerr en rotation qui constituent les trous noirs géants au cœur des galaxies comme la Voie lactée, ils restent perplexes quant aux conditions astrophysiques ou cosmologiques à l'origine de leur formation.

On peut, en théorie, former de tels trous noirs par simple effondrement gravitationnel d'un immense nuage de gaz. Le processus est en lui-même si peu violent que l'on peut se trouver au voisinage de l'horizon du trou noir résultant sans ressentir d'effets de marée notables, ce qui ne serait pas le cas aux abords d'un trou noir stellaire de quelques masses solaires laissé par l'explosion d'une supernova.

On peut imaginer aussi une étoile supergéante profondément relativiste qui donnera directement un trou noir de grande taille qui, en accrétant de la matière au cours du temps, finira par atteindre le seuil du million de masses solaire, ou encore une population de trous noirs stellaires qui fusionneraient dans le cœur des galaxies pour donner là aussi un trou noir géant.

Malheureusement, le taux de croissance des trous noirs formés selon ces différents mécanismes est trop faible pour expliquer la présence tôt dans l'histoire du cosmos des trous noirs géants observés, servant de moteur aux formidables noyaux actifs de galaxies que sont les quasars.

La dynamique des amas de galaxies fonctionne mieux avec une rasade de matière noire

Astrophysiciens membres du Mullard Space Science Laboratory en Angleterre, Curtis Saxton et Kinwah Wu viennent de proposer un mécanisme, illustré par le cas des amas de galaxies, qui permettrait de rendre compte de l'apparition précoce des trous noirs géants dans l'histoire du cosmos. Ils prennent au sérieux l'idée que la majorité de la matière de l'Univers est constituée de particules non baryonique ni leptonique, c'est-à-dire ni des protons, ni des neutrons, ni des électrons ni des neutrinos. Nier l'existence de la matière noire semble très difficile pour un astrophysicien ou un cosmologiste aujourd'hui, même si quelques difficultés déjà observées indiquent peut-être que toutes les observations astrophysiques et cosmologiques où on la fait intervenir peuvent parfois nécessiter une autre explication.

Les deux chercheurs se sont concentrés sur les amas de galaxies, riches en matière noire et pour lesquels la théorie marche le mieux et est la mieux corroborée par les observations. Ils ont décrit de façon plus réaliste comment la dynamique gravitationnelle de cette matière noire est couplée à celle du gaz chaud de matière normale inter-amas que l'on détecte grâce à son intense émission en rayons X.

Dans leur modèle, les équations prédisent la formation au centre d'un amas de galaxies d'une région compacte riche en matière noire qui est instable du point de vue de l'effondrement gravitationnel. L'apparition de cette zone de quelques centaines d'années-lumière de diamètre semble inévitable dans le cadre de leur modélisation et une légère perturbation suffit à provoquer un effondrement gravitationnel catastrophique de la matière noire pour donner un trou noir géant tôt dans l'histoire du cosmos.

Ce processus, baptisé dark gulping de l'anglais to gulp signifiant avaler ou engloutir, semble bel et bien produire des trous noirs supermassifs de la bonne taille au cours des premiers milliards d'années de l'Univers observable. Il se serait donc peut-être produit dans des distributions de matière noire couplées à celles de matière normale lors de la formation des premières galaxies.

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