Le premier succès de la collaboration Event Horizon Telescope avec la première image d’un trou noir – en l’occurrence M87* que l'on voit ici – en sera sans nul doute suivi de bien d’autres, à commencer par une image d’un autre trou noir supermassif, celui au cœur de notre Voie lactée, Sgr A*. Mais cette réussite éclatante ne doit pas nous faire oublier que nous ne savons toujours pas vraiment comment sont nés les trous noirs, contenant de quelques millions à quelques milliards de masses solaires, que l’on observe depuis des décennies au centre des galaxies, qu’elles soient spirales ou elliptiques. © Even Horizon Telescope

Sciences

Trous noirs supermassifs : sur la piste de l'énigme de leur formation avec une galaxie « fantôme »

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Plusieurs scénarios s'affrontent pour expliquer l'origine des trous noirs massifs et supermassifs que l'on pense exister au cœur de toutes les galaxies. Le radiotélescope Alma offre un moyen de trancher entre plusieurs hypothèses, d'après des astronomes ayant observé le trou noir intermédiaire au cœur de la célèbre galaxie appelée le « fantôme de Mirach ».

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[EN VIDÉO] Première image d’un trou noir supermassif : zoom sur l'environnement de M87*  Cette animation d’artiste représente un plongeon en direction d’un trou noir supermassif caché dans une bulle de gaz chaud. Il est entouré d’un disque d’accrétion où la matière est tellement chauffée qu’elle devient un plasma très lumineux à l’origine de jets de matière en relation avec la rotation d’un trou noir de Kerr. En l’occurrence ici il s’agit de M87*, le trou noir supermassif qui a livré la première image d’un tel objet en avril 2019 grâce aux membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT). 

Cela ne fait guère plus de 50 ans que la communauté scientifique a commencé à prendre l'existence des trous noirs au sérieux, grâce aux travaux des pionniers qu'étaient John Wheeler, Roger Penrose, Kip Thorne et Stephen Hawking, sans oublier Yakov Zeldovich et Igor Novikov (il faudrait en réalité ajouter une bonne douzaine de noms supplémentaires).

Rappelons que les trous noirs sont des objets si compacts, pas nécessairement denses, qu'il faudrait dépasser la vitesse de la lumière pour échapper à leur attraction gravitationnelle une fois à l'intérieur d'une région sphérique dont la frontière est définie par ce que l'on appelle un horizon des événements, entourant l'astre. Il n'est nullement nécessaire qu'existe une singularité de l'espace-temps au centre de cette région pour qu'existe un trou noir.

On comprend plutôt bien comment des trous noirs peuvent naître par effondrement gravitationnel d'étoiles massives contenant quelques dizaines de masses solaires. On obtient alors ce que l'on appelle des trous noirs stellaires. Il n'en est pas de même avec les trous noirs supermassifs contenant de quelques millions à quelques milliards de masses solaires au cœur des galaxies. Ils sont responsables de l'existence des noyaux actifs de galaxies et en particulier ceux découverts depuis 1963 et que l'on appelle des quasars. On sait que ces objets influencent l'évolution des galaxies et surtout que ces astres croissent ensemble, au moins en ce qui concerne les grandes galaxies spirales et elliptiques, car il existe une remarquable relation de proportionnalité entre la masse des trous noirs au cœur de ces galaxies et la masse qu'elles contiennent sous forme d'étoiles.

On a fini par découvrir que même les galaxies naines contenaient des trous noirs. Stellaires, cela ne faisait aucun doute, mais massifs, la question a longtemps été sans réponse jusqu'à ce que l'on mette en évidence des trous noirs dits de masses intermédiaires, c'est-à-dire contenant moins de quelques centaines de milliers de masses solaires et plus de quelques centaines de fois celle du Soleil. C'est par exemple le cas des galaxies NGC 404, NGC 4395, NGC 5102, et NGC 5206, juste à l'extérieur du fameux Groupe Local de galaxies qui contient notre Voie lactée et Andromède.

Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche au CNRS et Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parlent des trous noirs. © Fondation Hugot du Collège de France

Trois scénarios pour produire des germes de trous noirs supermassifs

Comme l'explique une équipe internationale d'astronomes, dirigée par des scientifiques de l'université de Cardiff, dans un article en accès libre sur arXiv et qui s'est penchée avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) sur le cas de NGC 404, cette galaxie lenticulaire naine située à environ 10 millions d'années-lumière dans la constellation d'Andromède apporte des éléments en faveur de l'une des théories expliquant l'origine des trous noirs supermassifs.

Trois hypothèses ont été principalement avancées. La première, mais qui n'est plus trop favorisée, fait intervenir des trous noirs cosmologiques primordiaux, vestiges de la phase à haute densité du Big Bang, où de grandes quantités de matière pouvaient s'effondrer gravitationnellement en donnant directement ces trous noirs. La seconde fait intervenir des étoiles exotiques très massives, quelques centaines à plusieurs milliers de masses solaires en particulier, faisant partie des toutes premières étoiles du cosmos observable, celles dites de Population III, nées pendant les premières centaines de millions d'années de l'histoire du cosmos observable. Ces étoiles se seraient alors formées dans les conditions particulières de l'Univers au moment des âges sombres, alors que la matière baryonique à l'origine de toutes les étoiles était constituée d'un mélange presque pur d'hydrogène, d'hélium et leurs isotopes, sans aucune trace d'éléments lourds comme le carbone, le silicium et le fer.

Cette différence est d'importance, depuis des milliards d'années, l'existence de poussières silicatées et carbonées est nécessaire pour permettre l'effondrement des nuages moléculaires et poussiéreux où naissent des pouponnières d'étoiles. En effet, en s'effondrant sous leur propre gravité, ces nuages s'échauffent et il apparaît une pression qui stoppe l'effondrement, sauf si un agent dissipe une partie de la chaleur dans ces nuages, les conduisant à se refroidir. Au sortir du Big Bang, sans ces poussières, la formation des étoiles ne pouvait pas être la même. De fait, on a également des problèmes pour faire naître des étoiles supermassives qui, après avoir explosé en supernovae, pourraient laisser des trous noirs géants contenant bien plus que quelques centaines de masses solaires, les germes des trous noirs supermassifs.

Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parle des trous noirs supermassifs. © École normale supérieure, PSL

Un effondrement direct en trou noir intermédiaire sans supernovae ?

La dernière hypothèse suppose, toujours à la période où se forment les premières étoiles, que d'immenses nuages de matière s'effondrent en donnant directement des trous noirs de masses intermédiaires.

Dans tous les cas de figure, les trous noirs massifs générés vont ensuite croître en accrétant de la matière, notamment sous la forme des filaments froids qui font aussi croître les galaxies selon le paradigme qui s'est imposé au cours de la décennie passée. Des collisions entre galaxies, suivies de fusion, vont aussi faire coalescer les trous noirs massifs et supermassifs.

Les deux dernières théories conduisent à prévoir des rapports différents entre la masse des trous noirs massifs des premières galaxies et les masses sous forme d'étoiles dans ces galaxies. On peut donc espérer départager les deux modèles en mesurant précisément les masses des trous noirs dans les galaxies naines pour en tirer une loi d'échelle valable pour toutes les galaxies naines.

C'est justement ce que l'on commence à pouvoir faire avec les mesures à haute résolution d'Alma qui permettent de voir des détails de l'ordre de 1,5 année-lumière au cœur d'une galaxie comme NGC 404. En mesurant plus précisément les mouvements des masses de gaz autour du trou noir au cœur de cet astre, également appelé « Mirach's Ghost » (le fantôme de Mirach), car NGC 404 est peu noyée dans l'image observée avec un télescope de l'étoile Mirach, une estimation améliorée de la masse du trou noir intermédiaire a été obtenue.

Aucune conclusion ferme ne peut encore en être tirée, car il faudra avant cela multiplier le nombre des estimations des masses des trous noirs intermédiaires dans les galaxies naines. Mais, selon le communiqué de l'université de Cardiff, c'est bien le modèle de l'effondrement direct en germes de trous noirs supermassifs après le Big Bang, dont Futura avait également parlé précédemment dans l'article ci-dessous, qui en sort renforcé.

  • Plusieurs scénarios s'affrontent pour expliquer l'origine des trous noirs massifs et supermassifs que l'on pense exister au cœur de toutes les galaxies.
  • Le radiotélescope Alma offre un moyen de trancher entre plusieurs hypothèses d'après des astronomes ayant observé le trou noir intermédiaire au cœur de la célèbre galaxie appelée le « fantôme de Mirach », alias NGC 404.
  • On connaît l'existence d'une relation de proportionnalité entre la masse des grands trous noirs et celle sous forme d'étoiles des galaxies qui les hébergent. Cette relation devrait être différente pour les galaxies naines selon les hypothèses pour la genèse de ces trous noirs.
  • Dans le cas de NGC 404, les mesures plus fines de la masse du trou noir central grâce à Alma suggèrent que le scénario de l'effondrement direct de grands nuages de gaz en trous noirs intermédiaires, donc contenant moins d'un million de masses solaires, est le bon scénario.
  • Il reste à observer de nombreux cas similaires avec Alma pour vraiment crédibiliser ce modèle.
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Pour en savoir plus

Trous noirs supermassifs : une nouvelle théorie pour leur formation

Article de Nathalie Mayer publié le 05/07/2019

Les astronomes ont longtemps pensé que tous les trous noirs de notre Univers s'étaient formés à partir de restes d'étoiles. Et que certains étaient devenus supermassifs après avoir accrété de la matière pendant des milliards d'années. Mais des chercheurs avancent aujourd'hui une autre théorie, qu'ils ont baptisée théorie de l'effondrement direct.

À la fin de leur vie, certaines étoiles - typiquement, des étoiles de plusieurs dizaines de masses solaires - s'effondrent sur elles-mêmes. Elles deviennent tellement compactes que même la lumière ne parvient plus à s'en échapper. Elles forment alors un trou noir. Sur le papier, les choses sont presque simples.

Mais ces dernières années, de nombreux trous noirs supermassifs - des trous noirs de milliards de fois la masse du Soleil - ont été découverts. Tous, avec ce que les astronomes qualifient d'important décalage vers le rouge, qui leur permet de donner un âge à ces trous noirs. Selon eux, ils auraient déjà existé alors que notre Univers n'avait pas plus de 800 millions d'années. Des observations qui suggèrent qu'ils ne sont pas nés de l'effondrement d'étoiles puis de l'accrétion lente de matière stellaire.

Et des chercheurs de l'université de Western Ontario (Canada) pourraient bien avoir trouvé enfin une explication. Leur modèle repose sur une hypothèse simple. Les trous noirs supermassifs se formeraient en fait très, très rapidement, sur des périodes de temps très, très brèves. Puis cesseraient aussi brusquement de croître.

La présence dans l’Univers primitif de trous noirs supermassifs posait question aux astronomes. Des chercheurs de l’université de Western Ontario pourraient avoir trouvé quelques réponses. © Scott Woods, Université de Western Ontario

La théorie de l’effondrement direct

Une théorie qu'ils ont baptisée la théorie de l'effondrement direct. Car le processus ne fait pas intervenir des restes stellaires. Il repose sur un nouveau modèle mathématique développé à partir du calcul de la fonction de masse de trous noirs supermassifs qui se formeraient sur une période de temps limitée et connaîtraient une croissance en masse très rapide.

Le scénario de l'effondrement direct suppose une brève période de croissance rapide

« Dans notre scénario de l'effondrement direct, les trous noirs supermassifs n'ont connu qu'une brève période de croissance rapide, puis à cause de toutes les radiations dans l'Univers créées par d'autres trous noirs et étoiles, leur production s'est arrêtée », explique Shantanu Basu, professeur à l'université de Western Ontario.

Ce scénario d'effondrement direct autorise des masses initiales beaucoup plus grandes que ce qui est supposé par le scénario standard de l'effondrement stellaire. Et il peut contribuer dans une large mesure à expliquer les observations réalisées ces dernières années.

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