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Trous noirs intermédiaires : un nouveau modèle de formation

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Comment croissent les trous noirs supermassifs ? En partie, peut-être, en provoquant la formation de trous noirs dits de masses intermédiaires dans leurs disques d'accrétion. Obtenus principalement par collisions entre des trous noirs stellaires et d'autres astres, ces corps intermédiaires seraient finalement avalés par les trous noirs géants au centre des galaxies.

À l'image, le grand astrophysicien théoricien Chandrasekhar, vers l'âge de 72 ans. Grand spécialiste de la théorie des trous noirs, il a reçu le prix Nobel de physique en 1982 pour, notamment, ses contributions à ce domaine. © AIP

Subrahmanyan Chandrasekhar et Robert Oppenheimer ont été les premiers à comprendre qu'il existait une masse limite pour une étoile ayant épuisé son carburant thermonucléaire, au-delà de laquelle elle devait s'effondrer pour former ce que l'on appelle désormais un trou noir. Ces objets nous sont familiers aujourd'hui mais on a peine à croire qu'entre les travaux de ces chercheurs, dans les années 1930, et ceux de Wheeler, Penrose et Hawking, à la fin des années 1960, ils ont été considérés comme des spéculations stériles, voire pseudoscientifiques.

Tout a bien sûr changé à partir des années 1970, lorsque les progrès des techniques d'observations ont révélé l'existence des trous noirs stellaires (formés par des étoiles) et des trous noirs supermassifs (de plusieurs centaines de millions de masses solaires) dans les galaxies. Il en existe d'ailleurs un au cœur de notre Voie lactée, se préparant à dévorer un nuage de gaz.

Toutefois, on ne comprend pas très bien comment un tel trou noir, avec ses millions de masses solaires, a pu se former, pas plus que ses cousins plus massifs qui peuvent atteindre les 10 milliards de masses solaires comme celui au centre de la galaxie NGC 4889. La formation des trous noirs stellaires - dont l'un des plus massifs est M33 X-7, avec environ 15 masses solaires - est en revanche assez bien comprise. Ils résultent, comme Oppenheimer le savait, de l'effondrement de certaines étoiles ayant explosé en donnant une supernova.

On voit ici une simulation de la formation d'une planète géante dans un disque protoplanétaire autour d'une étoile centrale. Le vide laissé dans le disque est dû à l'influence de planètes en formation. Une telle structure est attendue pour des trous noirs de masses intermédiaires naissant dans le disque de gaz entourant un trou noir supermassif. © P. Armitage, University of Colorado

Une des théories avancées pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs suppose que des trous noirs intermédiaires de masses comprises entre quelques centaines et quelques milliers de masses solaires se forment d'une façon ou d'une autre et servent de germes de croissance ou de nourriture pour des trous noirs géants.

Plusieurs scénarios pour la croissance des trous noirs supermassifs

Certains auraient pu naître au début de l'histoire de l’univers en liaison avec la formation des premières galaxies naines. Lors des collisions avec fusions entre ces galaxies, les trous noirs intermédiaires centraux coalesceraient pour en donner des plus massifs. On sait d'ailleurs qu'il existe un lien entre la masse des galaxies hébergeant des trous noirs géants et la masse de ces objets, ce qui suggère qu'ils croissent de pair, en accord avec le scénario des fusions galactiques.

Certains trous noirs intermédiaires pourraient naître dans des amas globulaires qui eux aussi seraient avalés par un trou noir central lors de fusions galactiques.

Un groupe d'astrophysiciens américains vient de publier sur arxiv un autre scénario pour expliquer l'apparition de ces corps de masses intermédiaires. Ils se sont inspirés pour cela d'un modèle de croissance de planètes géantes, comme des superterres, dans le disque d'accrétion des systèmes planétaires en formation.

Des simulations montrent que dans de tels disques riches en gaz, les petites planètes sur des orbites proches ont des chances accrues d'entrer en collision pour former des planètes de plus grandes tailles par accrétion. Transposé dans le cas du disque de gaz entourant un trou noir galactique géant, le modèle prédit que les trous noirs stellaires, les astres compacts et les étoiles s'approchant du trou noir supermassif et entrant dans le disque de gaz auront, là aussi, des chances plus élevées d'entrer en collision. Les trous noirs stellaires se mettront à avaler les autres astres et augmentant eux-mêmes de taille, ils verront leur probabilité d'en capturer d'autres croître à nouveau. Ce processus peut s'emballer par effet de boule de neige et c'est ainsi que des trous noirs de masses intermédiaires pourraient rapidement apparaître dans le disque entourant le trou noir central.

Ces corps intermédiaires finiraient bien sûr un jour par être avalés par le trou noir supermassif. Si ce scénario se révèle exact, il contribuerait donc à éclaircir le mystère de la formation et de la croissance de ces quelque peu énigmatiques trous noirs géants tapis au centre des galaxies et qui s'allumaient fréquemment, il y a des milliards d'années, pour donner des quasars.

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