Comment les premiers trous noirs ont-ils pu devenir si énormes, si vite ?

Une croissance qui défie la logique

C’est l’un de ces mystères qui empêchent les astronomes de dormir, j’imagine. Comment est-ce possible que de petits trous noirs, au tout début de l’univers, aient pu gonfler jusqu’à atteindre des dizaines de milliers de fois la masse du Soleil en seulement quelques millions d’années ? Ça paraît totalement absurde quand on y pense, non ?

Cette croissance ultra-rapide a longtemps été un casse-tête. Elle aide certes à comprendre pourquoi on observe déjà des trous noirs massifs dans les premiers chapitres de l’histoire cosmique, mais soyons honnêtes : elle met à rude épreuve les modèles de croissance standards. Ces modèles galèrent vraiment à expliquer comment combler un tel écart de masse aussi rapidement.

Mais voilà qu’une nouvelle piste émerge. Des simulations récentes suggèrent que ces premiers trous noirs n’ont pas grandi sagement, petit à petit. Au contraire, ils auraient profité de fenêtres brèves et intenses, surgissant dans des galaxies jeunes et chaotiques qui leur livraient du gaz bien plus vite que ce que la théorie jugeait possible.

Le chaos cosmique comme carburant

C’est Daxal Mehta, un candidat au doctorat à l’Université de Maynooth (MU), qui a démontré ce résultat. Son travail est fascinant parce qu’il montre comment ces environnements primitifs ont permis une croissance qu’on pensait hors de portée pour des débuts aussi modestes.

Imaginez un peu la scène dans ces premières galaxies : la gravité tassait le gaz dans des centres ultra-compacts. Ce gaz, au lieu de se poser tranquillement, passait son temps à s’entrechoquer. C’est ce chaos qui a alimenté l’accrétion — cette chute constante de matière vers l’intérieur sous l’effet de la gravité — permettant à un trou noir de gagner de la masse bien plus vite que ses voisins.

Il y a un détail technique important ici : la turbulence et les collisions de flux ont dépouillé la matière de son moment cinétique (ou angulaire, si vous préférez). Résultat ? Au lieu d’orbiter sagement à distance, la matière continuait de spiraler vers le bas, directement dans la gueule du monstre.

Ces conditions n’existaient probablement que dans des poches isolées. La plupart des graines de trous noirs sont donc restées petites, tandis que quelques chanceuses trouvaient ces zones de festin brèves mais riches.

Normalement, les astronomes parlent de la limite d’Eddington. C’est le point d’équilibre où la pression du rayonnement sortant contrebalance l’attraction gravitationnelle. Mais là, on parle d’autre chose.

Les graines légères se sont probablement formées quand certaines des toutes premières étoiles sans métaux, y compris les étoiles de Population III, se sont effondrées directement en trous noirs. Comme ces étoiles n’étaient faites que d’hydrogène et d’hélium, leur effondrement laissait derrière elles des graines plus légères que d’autres voies de formation.

Comme l’a dit Mehta : « On pensait auparavant que ces minuscules trous noirs étaient trop petits pour devenir les béhémoths observés au centre des premières galaxies. »

Le truc, c’est que les trous noirs brillent quand le gaz qui tombe chauffe, et cette lumière repousse le gaz qui alimente la croissance. Mais dans ces flux denses et tourbillonnants, la lumière piégée s’échappait moins bien. Donc, le gaz continuait de tomber même si le trou noir devenait plus brillant. On appelle ce dépassement l’accrétion super-Eddington. Une phase brève où le repas va plus vite que ce que la théorie autorisait.

Simulations haute résolution et télescopes du futur

Pour capturer ces bouffées de croissance, il a fallu sortir l’artillerie lourde niveau simulation. L’équipe a dû suivre le gaz à des échelles bien plus petites qu’un amas d’étoiles typique.

Ils ont resserré la grille jusqu’à ce que chaque cellule ne couvre que quelques milliers de milliards de miles (oui, ça reste énorme pour nous, mais c’est minuscule à l’échelle galactique !). Cela évitait que les amas de gaz denses ne se mélangent visuellement. Cette résolution a permis de voir la gravité tirer le gaz en ruisseaux étroits et en disques autour de la graine, rendant possibles ces pics d’alimentation courts.

Les ordinateurs de la MU ont souffert, c’est le moins qu’on puisse dire. Les exécutions les plus détaillées ne pouvaient suivre que quelques centaines de millions d’années de temps cosmique. C’était le prix à payer.

Il ne faut pas oublier le « feedback » ou rétroaction. Les jeunes galaxies ne faisaient pas que nourrir les trous noirs ; les étoiles nouveau-nées et les trous noirs eux-mêmes pouvaient chauffer et expulser le gaz. Cette énergie renvoyée vers le gaz voisin peut stopper la croissance en nettoyant le carburant.

Dans les simulations de la MU, les poussées se terminaient souvent après que des explosions ou la chaleur aient fait monter la pression, rendant la matière environnante plus difficile à capturer. Mais malgré tout, une minorité de graines a réussi à percer avant que le gaz ne se vide.

La plupart des graines restaient calmes, mais quelques-unes grandissaient lors d’épisodes courts de seulement quelques millions d’années. Le télescope spatial James Webb (JWST) pourrait bien attraper des instantanés de cette phase, car chaque poussée rend la graine très brillante.

D’ailleurs, le JWST a déjà révélé des trous noirs qui semblent bien trop massifs pour le peu de temps écoulé après le Big Bang. Les chercheurs ont lié une source de rayons X à un redshift (décalage vers le rouge) proche de 10 à un quasar. Cet objet maintient en vie l’idée des graines lourdes, même si les simulations de Mehta montrent que les graines légères pouvaient parfois rattraper leur retard.

Et l’avenir ? Un observatoire spatial prévu, appelé LISA (Laser Interferometer Space Antenna), vise un lancement en 2035. Ses détecteurs traqueront les ondes gravitationnelles — ces ondulations de l’espace-temps causées par des masses en mouvement qui traversent la poussière sans presque aucune perte.

Si beaucoup de graines légères ont grandi rapidement au début de l’univers, LISA pourrait enregistrer un nombre plus élevé d’événements à basse fréquence, car les plus grosses graines fusionnent plus « bruyamment ».

Conclusion : Un puzzle qui s’assemble

Interpréter ces signaux demandera encore une modélisation prudente, c’est certain. Un trou noir calme ne laisse aucune signature électromagnétique claire jusqu’à ce qu’il se remette à manger. C’est tout le problème.

Mais pris ensemble, ces résultats relient enfin les premières étoiles, les conditions chaotiques des jeunes galaxies et ces trous noirs qui ancrent plus tard les centres galactiques. C’est une belle avancée, je trouve.

Cela nous rappelle aussi que les simulations peuvent manquer des aspects physiques clés. Les futures observations des télescopes et les détections de LISA seront donc cruciales pour déterminer à quel point cette voie de croissance rapide était vraiment courante.

Cette étude a été publiée dans la revue Nature Astronomy.

Selon la source : earth.com

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