Napping après un excès de nourriture, même les trous noirs géants en avaient besoin
La sieste après avoir trop mangé est un dilemme que beaucoup d’entre nous auront la chance de rencontrer le jour de Noël. De nouvelles recherches ont montré que, il y a des milliards d’années, certains premiers trous noirs devaient également faire des siestes après s’être trop goinfrés.
À l’aide du télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes ont repéré un trou noir supermassif dormant qui existait à peine 800 millions d’années après le Big Bang. Ce monstre cosmique s’est évanoui après un repas particulièrement copieux de gaz et de poussière galactiques.
Le trou noir est extraordinaire par sa taille monstrueuse. Avec une masse d’environ 400 millions de fois celle du soleil, c’est le trou noir le plus massif observé par le JWST dans l’univers primitif. La découverte, publiée le mercredi 18 décembre dans la revue Nature, complique davantage le mystère de la rapidité avec laquelle les trous noirs supermassifs ont atteint une telle masse dans l’univers primitif.
Des trous noirs géants endormis et affamés
La masse de ce trou noir supermassif se distingue également car lorsque ces titans cosmiques sont généralement trouvés dans l’univers local (et récent), ils ont environ 0,1 % de la masse de leur galaxie hôte. Ce trou noir supermassif a une masse équivalente à environ 40 % de la masse de sa galaxie hôte.
Les scientifiques s’attendraient à ce qu’un trou noir aussi gigantesque se nourrisse voracement et donc grandisse. Pourtant, ce trou noir ne consomme du gaz qu’à un rythme très lent, d’environ un centième de la limite d’accrétion maximale possible pour un trou noir de cette taille.
Parce que les trous noirs ont des frontières extérieures appelées horizons des événements qui piègent la lumière (et tout ce qui les traverse), s’ils ne se nourrissent pas avidement et n’émettent pas cette matière, ils ont tendance à être invisibles.
Lorsqu’ils sont entourés de matière dans un nuage aplati appelé disque d’accrétion qui les nourrit progressivement, l’influence gravitationnelle des trous noirs supermassifs provoque une immense friction, ce qui fait briller cette réserve cosmique. Cette émission nous permet de détecter les trous noirs supermassifs.
Cependant, ce trou noir supermassif dormait différemment. C’est parce que sa masse énorme lui a conféré une énorme influence gravitationnelle qui l’a rendu visible.
Même si ce trou noir est endormi, sa taille énorme nous a permis de le détecter, a déclaré le chef d’équipe Ignas Juodžbalis de l’Institut Kavli de cosmologie de Cambridge, dans un communiqué. Son état dormant nous a permis d’en apprendre davantage sur la masse de la galaxie hôte.
Les mystères des trous noirs supermassifs de l’univers primitif
L’univers primitif a réussi à produire de véritables monstres, même dans des galaxies relativement petites. Pourquoi les premiers trous noirs géants posent-ils problème ? Depuis que le JWST a commencé à observer l’univers en 2022, cet instrument puissant a découvert des trous noirs supermassifs à des stades antérieurs de l’univers.
Les trous noirs supermassifs sont des titans cosmiques ayant des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de soleils. Contrairement aux trous noirs de masse stellaire, qui se forment lorsque des étoiles massives s’effondrent, on pense que les trous noirs supermassifs se développent par une série de fusions de trous noirs de plus en plus massifs et se nourrissent régulièrement de gaz et de poussière issus de leurs galaxies hôtes.
On pense que ce processus prend plus d’un milliard d’années pour créer un trou noir supermassif avec une masse, même à l’échelle la plus basse de ces masses monstrueuses. Cela signifie que repérer un trou noir supermassif dans l’histoire récente de notre cosmos âgé de 13,8 milliards d’années n’est pas un problème.
Cependant, le JWST repérant ces titans cosmiques lorsque l’univers était plus jeune d’un milliard d’années, parfois dès 600 millions d’années après le Big Bang, pose problème. La taille énorme de ce trou noir primitif et le fait qu’il ne croît même pas rapidement en se nourrissant rendent ce problème encore plus déconcertant.
Il est possible que les trous noirs ‘naissent grands’, ce qui pourrait expliquer pourquoi le JWST a repéré de grands trous noirs dans l’univers primitif, a déclaré Roberto Maiolino, membre de l’équipe et chercheur de l’Institut Kavli. Mais une autre possibilité est qu’ils passent par des périodes d’hyperactivité, suivies de longues périodes de dormance.
Les trous noirs poussent au-delà de la limite pour se suralimenter
Maiolino et ses collègues ont revisité le problème des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif en effectuant des simulations de leurs mécanismes de croissance. L’équipe a découvert que l’explication la plus probable était que les trous noirs pouvaient brièvement dépasser la limite placée sur l’accrétion.
Cette limite d’alimentation est connue sous le nom de limite d’Eddington. Elle suggère que tout corps céleste en accrétion insatiable atteindra le point où le rayonnement émis par son alimentation repoussera la matière, coupant ainsi son approvisionnement en nourriture.
Cette équipe pense que les premiers trous noirs pourraient connaître des épisodes de suralimentation ou d’accrétion super-Eddington. Pendant ces périodes, les trous noirs gloutons grandiraient à des taux hyper-accelérés. Cela durerait entre 5 et 10 millions d’années, après quoi le trou noir ferait la sieste pendant 100 millions d’années.
Il semble contre-intuitif d’expliquer un trou noir dormant par des périodes d’hyperactivité, mais ces courtes pulsations lui permettent de grandir rapidement tout en passant la majeure partie de son temps à faire la sieste, a déclaré Maiolino.
La période de dormance de ces trous noirs dure de 10 à 20 fois plus longtemps que la phase d’accrétion super-Eddington, ce qui signifie que les astronomes ont plus de chances de repérer ces titans cosmiques pendant leur temps de sieste que pendant leurs repas.
La découverte de ce trou noir gigantesque en train de dormir est une avancée pour cette théorie. Ce trou noir primitif pourrait bien n’être que la pointe de l’iceberg, l’équipe soupçonnant que l’univers primitif pourrait être rempli de ces géants endormis. Malheureusement, la nature dormante de ces monstres les rendra difficiles à découvrir pour les astronomes.
Il est probable que la grande majorité des trous noirs là-bas soient dans cet état dormant. Je suis surpris que nous en ayons trouvé un, mais je suis ravi de penser qu’il y en a tant d’autres que nous pourrions trouver, a conclu Roberto Maiolino.
