Comment les trous noirs supermassifs sont-ils devenus si gros si rapidement juste après le Big Bang ?

"C'est comme voir une famille marcher dans la rue, et ils ont deux adolescents de six pieds, mais ils ont aussi avec eux un bambin de six pieds de haut."

Les scientifiques comprennent désormais que des trous noirs supermassifs se cachent au cœur de la plupart, sinon de la totalité, des galaxies. Ces titans cosmiques ont des masses millions, voire milliards de fois supérieures à celles du Soleil, mais leur taille énorme ne constitue pas un problème lorsque des trous noirs supermassifs sont observés dans l'univers local et donc plus récents dans l'histoire cosmique.

Les trous noirs supermassifs deviennent cependant un problème lorsqu’ils sont observés dans l’univers primitif, et qu’ils ont déjà des masses équivalentes à des milliards de soleils. En effet, il doit exister un mécanisme permettant aux trous noirs supermassifs de rassembler rapidement de la masse et d’atteindre des tailles aussi géantes. Pourtant, tous les mécanismes existants pour cette croissance suggèrent que ce processus se déroule trop lentement pour que des objets comme celui-ci existent juste après le Big Bang.

"Au cours des deux dernières décennies, les astronomes ont découvert des trous noirs supermassifs avec les mêmes masses que dans l'univers local et donc plus récent – ​​des milliards de masses solaires – il y a près de 13 milliards d'années, moins d'un milliard d'années après le Big Bang", a déclaré Royal. » a déclaré John Reagan, chercheur à l'Université de la Société à l'Université de Maynooth, à Space.com.

Regan décrit le problème avec une analogie quelque peu troublante. "C'est comme voir une famille marcher dans la rue, et ils ont deux adolescents de six pieds, mais ils ont aussi avec eux un bambin de six pieds de haut. C'est un peu un problème, comment le bambin est-il devenu si grand ? Et c'est " Il en va de même pour les trous noirs supermassifs de l'univers. Comment sont-ils devenus si massifs si rapidement ? "

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Ce problème s'est encore compliqué cette année lorsque le télescope spatial James Webb (JWST) a découvert le trou noir supermassif le plus éloigné et le plus ancien. Situé au cœur de la galaxie CEERS 1019, ce trou noir a une masse 9 millions de fois supérieure à celle du soleil, ce qui le rend relativement petit pour un trou noir supermassif.

Pourtant, même à cette taille, l’existence de ce trou noir, 570 millions d’années seulement après le Big Bang, remet en cause les théories sur la croissance des trous noirs. Et ce trou noir de 9 millions de masse solaire n’était pas seul. La même campagne d'observation qui a révélé ce trou noir supermassif, l'enquête Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), a également découvert deux autres trous noirs supermassifs qui existaient à la fois 1 milliard d'années et 1,1 milliard d'années après le Big Bang.

"À chaque nouvelle découverte, les contraintes sur nos idées existantes deviennent plus fortes", a déclaré Shantanu Basu, professeur à l'Université canadienne de Western Ontario, à Space.com. "Nous étions inquiets lorsque des trous noirs supermassifs ont été observés 800 millions d'années après le Big Bang. Le CEERS ne fait qu'augmenter considérablement le défi."

Cela suggère que les trous noirs supermassifs sont courants dans la relative enfance de l’univers, et non dans une rareté cosmique, ce qui met davantage de pression sur la recherche d’un mécanisme pour expliquer comment ils y sont arrivés.

En excluant les trous noirs primordiaux qui seraient restés après le Big Bang, les trois principales catégories de trous noirs sont les trous noirs de masse stellaire, qui ont une masse comprise entre 5 et 100 fois celle du soleil, et les trous noirs de masse intermédiaire avec des masses comprises entre 100 et 10 000 fois. celui du soleil, et les trous noirs supermassifs avec les masses évoquées ci-dessus.

Les trous noirs de masse stellaire se forment lorsque les étoiles les plus massives, avec entre 30 et 130 masses solaires, manquent de combustible pour la fusion nucléaire et ne peuvent plus se soutenir contre leur propre gravité. Alors que les couches externes de ces étoiles sont emportées par d’énormes explosions de supernova, les noyaux s’effondrent pour créer des trous noirs de masse stellaire – des régions de l’espace avec un point de densité infinie appelé singularité en son centre et une limite extérieure appelée horizon des événements où la force de gravité est si grande que même la lumière ne peut y échapper.

Les trous noirs supermassifs doivent se former d'une manière différente des trous noirs de masse stellaire, car il est impossible pour une étoile d'être suffisamment grande pour avoir la masse de départ initiale pour perdre de la masse au fur et à mesure de son évolution à travers des événements comme la supernova qui accompagne l'effondrement gravitationnel de l'étoile. étoile mais laisse quand même derrière lui un noyau suffisamment massif pour devenir un trou noir supermassif.