Les simulations numériques de la formation des grandes structures de l’univers permettraient de comprendre comment la matière noire pourrait avoir donné les premiers trous noirs supermassifs. Ici, une image extraite d'une de ces simulations réalisées avec des superordinateurs dans le cadre du Millennium Simulation Project – dont l'objectif est d'en savoir plus sur la manière dont les galaxies et les amas de galaxies se forment et se rassemblent pour créer, à grande échelle, des structures en forme de filaments. L'image est suffisamment précise pour comprendre bien des aspects de l'univers observable en utilisant la théorie de Newton de la gravitation. © Max Planck Institute for Astrophysics, Springel et al.

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Les trous noirs supermassifs seraient nés grâce à la matière noire

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Les trous noirs sont partout dans l'univers et certains pensent qu'ils pourraient constituer une partie de la matière noire. Celle-ci pourrait avoir provoqué l'effondrement direct de surdensités de matière au début de l'histoire du cosmos, donnant les premiers trous noirs supermassifs.

Et si les astres compacts situés au cœur des grandes galaxies et contenant plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires n'étaient pas des trous noirs décrits par la théorie de la relativité générale ? L'idée n'est pas à exclure. Cependant, il n'existe pas vraiment d'alternative, à part peut-être des trous de vers ou, pour le moins, des objets dont la description effective ne diffère presque pas de la théorie classique, bâtie entre 1965 et 1975 à partir de la théorie d'Einstein. Le concept d'horizon des évènements pourrait ainsi être assoupli, comme l'a proposé il y a quelques années Stephen Hawking.

En tout état de cause, il faut expliquer la naissance de ces objets. En ce qui concerne les trous noirs, diverses hypothèses ont été avancées mais aucune n'a pu s'imposer. Il semble clair pourtant qu'ils ont évolué en fusionnant et en accrétant de la matière, comme les galaxies qui les abritent. Mais d'où viennent leurs germes ?

Il est difficile de faire intervenir la formation d'étoiles très massives qui se seraient ensuite effondrées en trous noirs car des étoiles contenant plus de quelques centaines de masses solaires posent des problèmes. On a aussi essayé de faire intervenir des trous noirs primordiaux ; en théorie, ceux-ci sont faciles à former. Toutefois, les observations ont fini par défavoriser leur existence. Cela signifie que le cosmos observable a débuté son histoire avec des conditions initiales qui n'étaient pas propices à la formation de germes de trous noirs supermassifs de cette façon.

Un extrait de la nouvelle simulation numérique montrant l'effondrement des distributions de matière noire au cours des premières centaines de millions d'années de l'histoire de l'univers observable. Des filaments de matière noire, où se concentre ensuite la matière normale à l'origine des galaxies, sont bien visibles. © Kentaro Nagamine, Osaka University, Japan

Des graines de trous noirs de deux millions de masses solaires

L'énigme de l'origine de ces trous noirs semble apparaître sous un nouveau jour si l'on en croit deux articles publiés dans le journal MNRAS, accessibles sur arXiv. Ils proviennent de nouvelles simulations numériques conduites par un groupe de chercheurs des universités d'Osaka, au Japon, et du Kentucky, aux États-Unis.

Plusieurs simulations de la formation des grandes structures de l'univers ont déjà été réalisées avec des superordinateurs depuis des décennies. On peut citer celle du Millennium ou encore DEUS. Les premières simulations menées dans le cadre des cosmologies avec de la matière noire ne prenaient en compte que cette matière exotique. D'autres ont ensuite fait intervenir un mélange de matière normale et de matière noire. C'est dans ce dernier cadre que les chercheurs ont travaillé, en raffinant leurs méthodes de calcul.

Il s'est avéré que, au bout d'un moment, des fluctuations de la densité de la matière noire ont conduit de la matière à chuter rapidement au cœur des zones de surdensité par effondrement gravitationnel. Des régions contenant pas loin de deux millions de masses solaires ont ainsi pu s'effondrer, plus tard, plus complètement et directement, en donnant des trous noirs supermassifs. Ces régions seraient apparues en environ 2 millions d'années, pendant la phase de formation des première étoiles et galaxies.

Le chemin conduisant ces concentrations à devenir réellement des trous noirs dans une seconde phase reste encore à explorer. Selon les astrophysiciens, la réalité de la première phase pourrait être établie grâce aux observations futures du télescope spatial James Webb.

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