Au cœur des galaxies les plus massives de l’Univers, il y a des trous noirs supermassifs (SMBH) si puissants qu’ils éclipsent toutes les étoiles de leurs disques galactiques. Les régions centrales de ces galaxies sont connues sous le nom de noyaux galactiques actifs (AGN), ou par leur surnom plus populaire de « quasars ». L’étude en cours de ces objets a fourni un banc d’essai pour la relativité générale et a révélé beaucoup de choses sur la formation et l’évolution des galaxies et la structure à grande échelle de l’Univers.
S’il y a une chose que les astronomes ont observée à plusieurs reprises, c’est le fait que ces énormes trous noirs ont des appétits énormes. En fait, une nouvelle étude de plus de 100 galaxies par l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA a montré que certains trous noirs supermassifs peuvent consommer des étoiles par milliers ! Ces résultats indiquent que certains SMBH avaient besoin de consommer des quantités de matière stellaire rarement (voire jamais) vues dans l’Univers pour croître et atteindre les tailles que les astronomes voient aujourd’hui.
L’équipe de recherche responsable de cette découverte était dirigée par Vivienne F. Baldassare, professeure adjointe au Département de physique et d’astronomie de la Washington State University (WSU). Elle a été rejointe par une équipe internationale d’astrophysiciens de l’Université hébraïque de Jérusalem, de l’Institut Kavli d’astrophysique et de cosmologie des particules, de l’Université du Michigan et de l’Université de Princeton et Columbia. Un article décrivant leurs découvertes a récemment été publié dans Le Journal Astrophysique.
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Auparavant, les études sur les trous noirs appartenaient à l’une des deux classes. Il s’agit notamment de ceux qui traitent de petits trous noirs de «masse stellaire», qui pèsent généralement de 5 à 30 masses solaires, et de trous noirs supermassifs, qui peuvent peser des millions, voire des milliards de masses solaires. Ces dernières années, les astronomes ont également trouvé des preuves de l’existence d’une classe intermédiaire, connue sous le nom de trous noirs de “masse intermédiaire” (IMBH).
Bien qu’il y ait eu de nombreux cas où des trous noirs ont été observés en train de consommer des étoiles, il y avait peu de preuves que cela se soit produit à l’échelle observée par Baldassare et ses collègues. Cette dernière étude, qui s’appuyait sur les données Chandra d’amas d’étoiles denses au centre de 108 galaxies, pourrait expliquer comment les IMBH sont le résultat de la croissance galopante d’un trou noir beaucoup plus petit.
“Lorsque les étoiles sont si proches les unes des autres comme elles le sont dans ces amas extrêmement denses, cela fournit un terreau viable pour les trous noirs de masse intermédiaire”, a déclaré Baldassare dans un communiqué de presse de Chandra. “Et il semble que plus l’amas d’étoiles est dense, plus il est susceptible de contenir un trou noir en croissance.”
Pendant des décennies, les scientifiques ont proposé diverses théories sur la formation des SMBH peu après le Big Bang (il y a environ 13,8 milliards d’années). Celles-ci incluaient l’idée qu’elles se sont formées à partir de l’effondrement d’un gigantesque nuage de gaz et de poussière près du centre d’une galaxie ou qu’elles résultaient d’étoiles surdimensionnées s’effondrant directement dans un trou arrière de taille moyenne qui consommait des étoiles et d’autres matières se développaient au fil du temps.
Cependant, ces deux théories nécessitent des conditions qui auraient existé au cours des premières centaines de millions d’années après le Big Bang. En revanche, Baldassare et son équipe ont émis l’hypothèse que la clé de la formation des trous noirs est la densité des amas d’étoiles près du centre d’une galaxie. Ils ont en outre émis l’hypothèse que cette densité dépend de la vitesse à laquelle les étoiles des amas se déplacent.
Si la densité est supérieure à un certain seuil, affirment-ils, un trou noir de masse stellaire au centre d’un amas se développera rapidement en consommant les étoiles à proximité. Après avoir observé les données de Chandra, l’équipe a découvert que les amas d’étoiles au centre de NGC 1385, 1566, 3344 et 6503 avaient des densités supérieures à ce seuil et étaient environ deux fois plus susceptibles de contenir un trou noir en croissance. Comme l’a résumé le co-auteur Nicholas C. Stone de l’Université hébraïque de Jérusalem :
“C’est l’un des exemples les plus spectaculaires que nous ayons vus de la nature insatiable des trous noirs, car des milliers ou des dizaines de milliers d’étoiles peuvent être consommées au cours de leur croissance. La croissance galopante ne commence à ralentir que lorsque l’offre d’étoiles commence à s’épuiser. »
De plus, le processus suggéré par l’étude de l’équipe peut se produire à tout moment dans l’histoire de l’Univers, ce qui implique que les IMBH peuvent se former jusqu’à nos jours. Ces résultats pourraient également expliquer certains types de signaux d’ondes gravitationnelles (GW) détectés par l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO). Dans certains cas, des signaux ont été détectés qui semblaient être causés par des trous noirs environ 50 à 100 fois plus massifs que le Soleil, ce que la plupart des modèles d’effondrement stellaire ne prédisent pas.
Bien sûr, d’autres études des centres des galaxies actives sont nécessaires avant de pouvoir tirer des conclusions. En attendant, l’équipe attend avec impatience des observations supplémentaires qui permettront de tester leur théorie. “Notre travail ne prouve pas que la croissance incontrôlée des trous noirs se produit dans les amas d’étoiles”, a déclaré le co-auteur Adi Foord de l’Université de Stanford. “Mais avec des observations de rayons X supplémentaires et une modélisation théorique supplémentaire, nous pourrions faire un cas encore plus solide.”
Lectures complémentaires : Chandra