Une théorie surprenante explique les trous noirs mystérieux et supermassifs qui se sont formés tôt dans l’univers

Une théorie surprenante explique les trous noirs mystérieux et supermassifs qui se sont formés tôt dans l'univers

Lorsque les astronomes utilisent des télescopes pour remonter dans le temps, vers des objets de l’univers dont la lumière n’atteint la Terre qu’après des milliards d’années, ils voient quelque chose d’étrange. Des trous noirs, de gros, qui existaient déjà lorsque l’univers était encore très jeune.

C’est étrange car d’après ce que les physiciens ont compris, il faut du temps à un trou noir pour manger suffisamment de matière environnante pour devenir si massif – il semblait donc que ces trous noirs n’auraient pas dû avoir le temps de devenir si gros.

« L’analogie que j’ai utilisée est que si vous voyiez un enfant qui n’avait que cinq ou six ans, mais qui pesait déjà autant qu’un humain adulte », a déclaré Hai-Bo Yu, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’Université de Californie, Riverside.

Yu et deux autres scientifiques de l’UC Riverside et de l’Université de Chicago ont proposé une explication possible surprenante : ces trous noirs auraient pu se former à l’aide de matière noire.

« Cela relie très bien deux grands mystères de l’astrophysique – les premiers trous noirs supermassifs et la matière noire – », a déclaré Yi-Ming Zhong, chercheur postdoctoral et co-auteur de l’étude UChicago.

Aux premiers jours de l’univers, la matière visible existait sous forme de nuages ​​de particules de gaz qui deviendraient des objets plus denses, tels que des étoiles et des galaxies. Ces nuages ​​pourraient s’effondrer et former un trou noir de graine, c’est-à-dire le stade de bébé d’un trou noir supermassif. Cependant, dans ce scénario, ont déclaré les scientifiques, la graine n’aurait pas assez de temps pour devenir les trous noirs les plus massifs observés dans l’univers primitif, si elle se nourrit à un rythme “normal”.

Mais à côté de la matière ordinaire dans ces nuages, il y avait un halo de matière noire, une forme mystérieuse de matière dont nous pouvons dire qu’elle est là en raison de sa gravité qui tire sur les choses visibles dans l’univers. Les scientifiques se sont demandé si la matière noire pouvait servir d’ingrédient contribuant à la création de trous noirs supermassifs.

Selon leurs simulations, si des particules de matière noire dans ces halos se heurtaient, une telle activité pourrait faire pencher la balance du système vers l’effondrement. C’est parce que les particules pourraient se propager de la chaleur les unes aux autres lors de leur collision, rendant le halo central instable. Ils ont également découvert que les collisions de matière noire dissiperaient le moment angulaire du halo – la quantité qui décrit la rotation d’un corps – ce qui fait encore basculer le système vers l’effondrement.

Un tel effondrement prend généralement beaucoup de temps. Cependant, la présence de matière ordinaire au centre du halo ajoute une masse supplémentaire qui y approfondit le potentiel gravitationnel, accélérant ainsi la propagation de la chaleur. “La présence de matière ordinaire pourrait raccourcir l’échelle de temps de l’effondrement de deux ordres de grandeur”, a déclaré Wei-Xiang Feng, étudiant diplômé et co-auteur.

Ces trous noirs “graines” auraient été beaucoup plus massifs que ceux généralement formés par l’effondrement d’un gaz ordinaire, comme le bébé dans l’analogie qui naît et pèse déjà 45 kg. À partir de là, il pourrait se développer grâce au processus « normal » consistant à manger de la matière à proximité.

Les scientifiques étudient d’autres implications de cette théorie, telles que l’origine des trous noirs supermassifs dans notre propre Voie lactée et de nombreuses autres grandes galaxies voisines. Cela pourrait aussi être une indication sur la nature de la matière noire elle-même; il est difficile d’observer directement si les particules de matière noire peuvent ou non entrer en collision entre elles, mais si cette théorie se concrétise, cela pourrait servir de preuve qu’elles le peuvent.

Un moyen de tester cette théorie pourrait devenir possible lorsque la prochaine génération de télescopes plus puissants commencera à prendre des données. Par exemple, le télescope géant de Magellan sondera la croissance des trous noirs dans l’univers.

“Ce système a une dynamique très nouvelle et intéressante, nous explorons donc plus loin”, a déclaré Zhong. “De plus, il est intriguant que nous puissions résoudre deux mystères avec une seule théorie.”

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