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

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Les trous noirs supermassifs sont-ils nés d'étoiles supermassives ?

ActualitéClassé sous :trou noir , cosmologie , électron

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Comment sont nés les trous noirs supermassifs, dont certains sont à l'origine des quasars, tapis au centre des galaxies ? De nouvelles simulations numériques sur le superordinateur japonais ATERUI II confortent le scénario où ils se seraient formés à partir d'étoiles géantes de quelque 10.000 masses solaires. Ces astres se seraient ensuite effondrés en trous noirs géants, germes des trous noirs supermassifs.

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[EN VIDÉO] 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. 

Le premier succès de la collaboration Event Horizon Telescope avec la première image d'un trou noir, en l'occurrence M87*, 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.

Il semble de plus en plus clair qu'ils sont nés à partir de trous noirs déjà bien plus massifs que les trous noirs stellaires, qui ne peuvent naître qu'à partir d'étoiles contenant une centaines de masses solaires tout au plus, et que la croissance de ces germes des trous noirs supermassifs se serait ensuite largement poursuivie, tout comme pour les galaxies, en raison de l'existence de courants froids de matière ordinaire canalisés par des filaments de matière noire. Mais quid de l'origine de ces germes eux-mêmes ?

Toutes les galaxies abritent en leur centre un trou noir super-massif, de masse comprise entre un million et quelques milliards de masses solaires explique dans cette conférence Françoise Combes, astronome à l'Observatoire de Paris au Laboratoire d'Étude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA). Son domaine actuel de recherche concerne la formation et l’évolution des galaxies. © École normale supérieure, PSL

Des nuages de matière géants qui s'effondrent directement en trou noir ?

Plusieurs hypothèses ont été avancées, par exemple, celle faisant 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. Mais, il est aussi possible de faire intervenir des étoiles exotiques très massives faisant partie des toutes premières étoiles du cosmos observable, celles dites de Population III. Ces étoiles seraient nées 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 apparait 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, et 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.

La simulation numérique des chercheurs japonais étudiant la naissance des étoiles supermassives au tout début de l'histoire de la formation des étoiles et des galaxies. On voit en accéléré sur plusieurs centaines d'années (years en anglais) l'effondrement d'un nuage atomique d'hydrogène où se forment des étoiles. Les densités les plus élevées sont en rouge, les plus basses en bleue. En noir, des étoiles supermassives avalant des étoiles moins massives et plus petites (en blanc). © Sunmyon Chon

Il se trouve qu'une équipe d'astrophysiciens japonais de l'Université de Tohoku (Japon) vient d'apporter une nouvelle lumière sur la genèse possible de ces étoiles supermassives comme elle l'explique dans un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society mais que l'on peut aussi trouver en accès libre sur arXiv.

Des étoiles de 10.000 masses solaires

Sunmyon Chon et son collègue Kazuyuki Omukai ont ainsi utilisé le superordinateur ATERUI II pour effectuer des simulations 3D haute résolution qui étaient impossibles à faire auparavant et qui concernaient certaines variantes des scénarios envisagées pour la formation des étoiles supermassives. Rappelons que la théorie de ces objets nécessairement décrits au moyen de la théorie de la relativité générale d'Einstein a une longue histoire qui remonte au début des années 1960 avec les travaux de Hoyle, Chandrasekhar, Feynman et Zel’dovich pour ne citer qu'eux. Certains espéraient rendre compte avec elles des quasars nouvellement découverts. Par nature très lumineuses, elles devaient aussi subir un fort effet de décalage spectral vers le rouge à cause d'un fort champ de gravitation les faisant donc passer pour très lointaines en raison de la loi de Hubble-Lemaitre.

Il se trouve que les précédentes simulations de formations d'étoiles massives en faisaient naître trop peu à partir du gaz primordial du Big Bang. Ensuite, le début de l'enrichissement très rapide de ce gaz en éléments lourds inhibait leur formation. Les calculs montraient en effet que ces éléments lourds conduisaient des nuages atomiques d'hydrogène à se fragmenter en donnant des étoiles nettement moins massives.

Un extrait de la simulation des chercheurs japonais. Trois étoiles supermassives en noir sont bien visibles, les autres, en blanc et jaune, sont des étoiles ordinaires. L'échelle est donnée en unité astronomique (1 au valant 150 millions de km environ ). © NAOJ

Mais, avec les moyens de calculs modernes, les algorithmes des modèles qu'ont implémentés Chon et Omukai sur ATERUI II se sont mis à raconter un tout autre scénario. Les nuages atomiques enrichis en éléments lourds par les premières explosions de supernovae se fractionnaient en étoiles non-supermassives. Mais l'existence d'un fort flux de gaz en direction des régions les plus denses de ces nuages conduisent les jeunes étoiles vers ces régions où elles fusionnent en donnant des étoiles 10.000 fois plus massives que le Soleil !

Au final, il semble bien que ce scénario soit en mesure de rendre compte de la population de trous noirs supermassifs observée car le taux de leur formation est fortement augmenté. Mais il reste du travail à faire pour vraiment le confirmer. Ce qui est sûr, c'est qu'une nouvelle voie de recherche a été ouverte.

Une vue d'artiste de la simulation précédente. Trois étoiles supermassives y avalent des étoiles de masses solaires. © NAOJ
  • Comment sont nés les trous noirs supermassifs au cœur de presque toutes les grandes galaxies et dont les masses vont de un million à quelques milliards de masses solaires et dont certains sont à l'origine des quasars ?
  • Plusieurs explications sont possibles mais la plus probable est celle soutenue par des simulations numériques qui se multiplient depuis quelques années.
  • Ils se seraient formés à partir d'étoiles géantes de quelque 10.000  à 100.00 masses solaires qui ne pouvaient bien s'établir qu'au tout début de l'histoire du cosmos observable, quand peu d'éléments lourds existaient.
  • Ces germes de trous noirs auraient alors grandi en étant alimentés par des courants froids de matière baryonique.
Pour en savoir plus

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

Article de Laurent Sacco publié le 13/03/2017

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).


L'origine énigmatique des trous noirs supermassiif

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.

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