Les ultramassives : des trous noirs encore plus massifs
Les scientifiques croient que tous les grandes galaxies abritent des trous noirs supermassifs, des titans cosmiques dont les masses équivalent à des millions, voire des milliards de soleils. Pourtant, certains trous noirs dépassent même ces masses monstrueuses pour devenir des trous noirs ultramassifs.
Le trou noir le plus massif dont nous avons connaissance est Phoenix A, qui se trouve au cœur du regroupement de galaxies Phoenix, l’un des plus massifs jamais découverts. Situé à 5,8 milliards d’années-lumière, Phoenix A a une masse estimée à 100 milliards de soleils. Un autre trou noir titanesque est Tonantzintla 618 (Ton 618), situé à environ un milliard d’années-lumière avec une masse d’environ 66 milliards de soleils.
Avec des trous noirs ultramassifs comme Phoenix A et Ton 618, on peut se demander s’il existe une limite à la taille qu’un trou noir peut atteindre. Les scientifiques se sont longtemps posé cette question également, et une équipe dirigée par Priyamvada Natarajan du département d’astronomie de l’université de Yale pense avoir la réponse.
Nous avons défini les trous noirs ultramassifs comme des trous noirs ayant des masses supérieures à 10 milliards de fois la masse du soleil, a déclaré Natarajan à Space.com. Les trous noirs supermassifs sont définis comme étant supérieurs à 10 millions de fois la masse du soleil. Les trous noirs ultramassifs seraient donc en moyenne 10 000 fois plus massifs que les trous noirs supermassifs.
À la recherche des trous noirs ultramassifs
Avant que les scientifiques puissent étudier les trous noirs ultramassifs, ils doivent d’abord déterminer où se trouvent ces gros joueurs cosmiques. Natarajan a expliqué qu’un indice provient de la corrélation entre les masses des trous noirs supermassifs centraux et la masse des étoiles dans les galaxies qui les hébergent. Les galaxies avec plus d’étoiles, et donc une plus grande masse stellaire, devraient donc héberger des trous noirs supermassifs plus massifs.
Cette relation d’échelle suggère qu’il existe une connexion profonde entre la croissance des trous noirs et la formation des étoiles dans leurs galaxies hôtes, a déclaré Natarajan. Les trous noirs ultramassifs avec les masses les plus monstrueuses devraient donc résider dans les galaxies les plus lumineuses avec le plus d’étoiles. Les galaxies les plus lumineuses au centre des amas de galaxies, appelées galaxies centrales les plus brillantes (BCG), seraient donc les candidats les plus optimaux pour abriter des trous noirs ultramassifs.
Les trous noirs ultramassifs ont été trouvés là où nos résultats prévoyaient que nous devrions les chercher, au centre des BCGs proches. Ce qui me surprend, c’est que des trous noirs de toutes tailles sont essentiellement éparpillés partout dans l’univers, a déclaré Natarajan. Les galaxies semblent abriter de multiples populations de trous noirs, un trou noir ultramassif ou supermassif au centre en fonction de la luminosité de la galaxie ; une population entière de trous noirs errants, qui seraient excentrés et répartis partout, avec des masses allant des trous noirs supermassifs jusqu’à des masses inférieures, a ajouté l’astronome.
Les trous noirs imposent leur propre limite de croissance
D’où vient cette limite sur les masses des trous noirs ? Ces titans qui dominent les galaxies pourraient-ils simplement continuer à grandir, sans autres limites que la quantité de gaz, de poussière et d’étoiles disponibles et le temps dont ils disposent pour se nourrir ?
Il se trouve qu’il y a une limite, et les trous noirs imposent en fait cette limite à leur propre croissance. Selon les arguments théoriques que nous avons avancés, les trous noirs supermassifs entravent leur propre croissance, explique Natarajan.
La séquence que nous prévoyons se déroule comme suit : Le gaz s’écoule vers le centre d’une galaxie pour se nourrir du trou noir supermassif. Cependant, tout le gaz ne parvient pas jusqu’à l’horizon du trou noir supermassif et ne s’y accrète pas. Une petite partie y arrive, et le reste est éjecté par les trous noirs. Ils mangent de façon très désordonnée !
La partie du gaz qui ne tombe pas dans le trou noir est éjectée sous forme de jets astrophysiques puissants et en mouvement rapide, qui peuvent s’étendre sur des dizaines d’années-lumière au-delà de leur galaxie hôte. Ces jets finissent par heurter le gaz plus loin de leur source de trou noir située dans la galaxie environnante, le chauffant et le transformant, et impactant directement la naissance des étoiles dans cette galaxie. En effet, les étoiles se forment lorsque les nuages de gaz et de poussière se refroidissent et se condensent. Les jets empêchent la formation des étoiles en chauffant le gaz et en l’empêchant de se condenser, explique Natarajan.
L’action de ces jets repousse également le gaz de la région centrale de la galaxie, coupant ainsi la source de nourriture du matériau qui coule vers le trou noir central et régulant ainsi sa croissance. Cela signifie qu’il existe une boucle de rétroaction naturelle pour la croissance des trous noirs.
Natarajan a déclaré qu’avec aucune chance que le gaz puisse circuler dans la région centrale depuis le reste de la galaxie, une fois que le gaz dans les régions internes des galaxies est entièrement consommé, la croissance du trou noir est perturbée et sa croissance est entravée.
La limite des trous noirs ultramassifs
En tenant compte des modes de croissance des trous noirs et du système de rétroaction naturelle qui semble interrompre leur approvisionnement alimentaire et entraver leur croissance, la limite des trous noirs ultramassifs serait d’environ 100 milliards de masses solaires, selon Natarajan.
Cela signifie que si Natarajan et ses collègues ont raison, Phoenix A ne serait pas seulement le trou noir le plus massif que nous ayons jamais détecté – il pourrait également être le plus grand trou noir que nous détecterons jamais, car il se situe juste sur cette limite.
La prochaine étape : les trous noirs de masse intermédiaire
Natarajan et son équipe ne s’arrêtent pas aux trous noirs, mais se concentrent sur des exemples moins insondables mais tout aussi intrigants de ces titans cosmiques.
L’équipe souhaite étudier les trous noirs avec des masses entre les trous noirs supermassifs et les trous noirs de masse stellaire. Les membres de ce dernier groupe sont environ 100 fois plus massifs que le soleil et se forment par l’effondrement d’étoiles massives en fin de vie. La classe intrigante entre les trous noirs supermassifs et les trous noirs de masse stellaire est connue sous le nom de trous noirs de masse intermédiaire, et ils se sont révélés évasifs pour les astronomes qui les recherchent.
La prochaine étape consiste à combler le fossé entre les trous noirs supermassifs et les trous noirs de masse stellaire, a conclu Natarajan. Il devrait y avoir une grande population de trous noirs de masse intermédiaire avec des masses de 1 000 à 10 000 fois la masse du soleil que nous commençons seulement lentement à découvrir.
