Un trou noir massif dormant dans l’univers primitif remet en question les modèles existants

Les scientifiques ont repéré un énorme trou noir dans l’univers primitif qui « fait la sieste » après s’être gavé de trop de nourriture. Comme un ours se gorgeant de saumon avant d’hiberner pour l’hiver, ou comme une sieste bien méritée après le dîner de Noël, ce trou noir a trop mangé au point de dormir dans sa galaxie hôte.

Une équipe internationale d’astronomes, dirigée par l’Université de Cambridge, a utilisé le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA pour détecter ce trou noir dans l’univers primitif, seulement 800 millions d’années après le Big Bang.

Le trou noir est énorme – 400 millions de fois la masse de notre soleil – ce qui en fait l’un des trous noirs les plus massifs découverts par Webb à ce stade du développement de l’univers. Le trou noir est si énorme qu’il représente environ 40 % de la masse totale de sa galaxie hôte : en comparaison, la plupart des trous noirs de l’univers local représentent environ 0,1 % de la masse de leur galaxie hôte.

Cependant, malgré sa taille gigantesque, ce trou noir consomme ou accumule le gaz dont il a besoin pour se développer à un rythme très faible – environ 100 fois inférieur à sa limite maximale théorique – ce qui le rend essentiellement dormant.

Un trou noir aussi massif si tôt dans l’univers, mais qui ne se développe pas, remet en question les modèles existants sur la façon dont les trous noirs se développent. Cependant, les chercheurs affirment que le scénario le plus probable est que les trous noirs connaissent de courtes périodes de croissance ultra-rapide, suivies de longues périodes de dormance. Leurs résultats sont rapportés dans la revue Nature.

Lorsque les trous noirs « font la sieste », ils sont beaucoup moins lumineux, ce qui les rend plus difficiles à repérer, même avec des télescopes très sensibles tels que Webb. Les trous noirs ne peuvent pas être observés directement, mais ils sont détectés par la lueur révélatrice d’un disque d’accrétion tourbillonnant, qui se forme près des bords du trou noir. Le gaz dans le disque d’accrétion devient extrêmement chaud et commence à briller et à rayonner de l’énergie dans la gamme ultraviolette.

“Même si ce trou noir est en sommeil, sa taille énorme nous a permis de le détecter”, a déclaré l’auteur principal Ignas Juodžbalis du Kavli Institute for Cosmology de Cambridge. “Son état de dormance nous a également permis d’en apprendre davantage sur la masse de la galaxie hôte. L’univers primitif a réussi à produire des monstres absolus, même dans des galaxies relativement petites.”

Selon les modèles standards, les trous noirs se forment à partir des restes effondrés d’étoiles mortes et accumulent de la matière jusqu’à une limite prévue, connue sous le nom de limite d’Eddington, où la pression du rayonnement sur la matière dépasse l’attraction gravitationnelle du trou noir. Cependant, la taille même de ce trou noir suggère que les modèles standards pourraient ne pas expliquer de manière adéquate comment ces monstres se forment et grandissent.

“Il est possible que les trous noirs naissent gros, ce qui pourrait expliquer pourquoi Webb a repéré d’énormes trous noirs dans l’univers primitif”, a déclaré le co-auteur, le professeur Roberto Maiolino, de l’Institut Kavli et du Laboratoire Cavendish de Cambridge. “Mais une autre possibilité est qu’ils traversent des périodes d’hyperactivité, suivies de longues périodes de dormance.”

En collaboration avec des collègues italiens, les chercheurs de Cambridge ont mené une série de simulations informatiques pour modéliser comment ce trou noir endormi aurait pu atteindre une taille aussi massive si tôt dans l’univers. Ils ont constaté que le scénario le plus probable est que les trous noirs puissent dépasser la limite d’Eddington pendant de courtes périodes, au cours desquelles ils se développent très rapidement, suivis de longues périodes d’inactivité : les chercheurs affirment que les trous noirs comme celui-ci mangent probablement pendant 5 à 10 heures. millions d’années et dorment pendant environ 100 millions d’années.

“Cela semble contre-intuitif d’expliquer un trou noir dormant par des périodes d’hyperactivité, mais ces courtes poussées lui permettent de se développer rapidement tout en passant la plupart de son temps à faire une sieste”, a déclaré Maiolino.

Parce que les périodes de dormance sont beaucoup plus longues que les périodes de croissance ultra-rapide, c’est pendant ces périodes que les astronomes sont le plus susceptibles de détecter des trous noirs. “C’était le premier résultat que j’obtenais dans le cadre de mon doctorat, et il m’a fallu un peu de temps pour comprendre à quel point c’était remarquable”, a déclaré Juodžbalis. “Ce n’est que lorsque j’ai commencé à parler avec mes collègues du côté théorique de l’astronomie que j’ai pu comprendre la véritable signification de ce trou noir.”

En raison de leur faible luminosité, les trous noirs dormants sont plus difficiles à détecter pour les astronomes, mais les chercheurs affirment que ce trou noir est presque certainement la pointe d’un iceberg beaucoup plus grand, si les trous noirs de l’univers primitif passent la plupart de leur temps dans un environnement dormant. État.

“Il est probable que la grande majorité des trous noirs soient dans cet état dormant. Je suis surpris que nous ayons trouvé celui-ci, mais je suis ravi de penser qu’il y en a tellement d’autres que nous pourrions trouver”, a déclaré Maiolino.