croissance de trou noir supermassif

Au centre d'une galaxie naine ultra-compacte (un système stellaire très dense de quelques dizaines d'années-lumière) fonctionne un aspirateur. Sauf qu'au lieu de la poussière, il aspire le gaz que rejettent les étoiles mourantes.

Autour d'une étoile qui vient de s'allumer, un tourbillon de poussière et de gaz tournoie. Ce tourbillon — le disque protoplanétaire — grandit en absorbant la matière du nuage environnant.

Un marathon de 13 milliards d'années a commencé avec des poids différents. Cent masses solaires, c'est plus léger qu'un nuage de gaz. Cent mille, c'est la domination gravitationnelle, comparable à un éléphant parmi des chatons. C'est ainsi que se présentaient les graines de trous noirs qui, à notre époque, devaient se transformer en géants supermassifs.

Huit cents millions d'années après le Big Bang — et au cœur d'une jeune galaxie bat déjà un moteur monstrueux. Un trou noir d'une masse de dix milliards de soleils dévore la matière si avidement que son rayonnement devrait éclipser tout alentour. Mais dehors, silence.

L'Univers primordial, à décalage vers le rouge z>7, était le théâtre d'une croissance effrénée : des trous noirs atteignant un milliard de masses solaires brillaient déjà comme des quasars, engloutissant le gaz à une vitesse prodigieuse. Comment ces géants ont-ils pu grandir en si peu de temps ?

Quand nous plongeons notre regard dans le cosmos, nous voyons le passé. La loi d'Edwin Hubble transforme le décalage vers le rouge en machine à remonter le temps : la lumière de la galaxie UDS 12999 a mis 7,6 milliards d'années pour nous parvenir — plus de la moitié de la vie de l'Univers.

Une histoire de détective s'est déroulée dans le catalogue GWTC-5. Des centaines de signaux de trous noirs en fusion, captés par les détecteurs de Rainer Weiss et de ses collègues, recelaient le secret de l'origine des objets les plus massifs et les plus rapides à l'échelle stellaire.

Dans une étude récente, des astrophysiciens montrent comment la physique d'avant la recombinaison, en particulier l'énergie noire primordiale, influence la dérive spectrale $$α_s$$ et, par conséquent, la viabilité des scénarios de formation de trous noirs primordiaux issus de la phase d'ultra-lente glissade (USR) pendant l'inflation.

Les observations de James Webb l'ont montré : dès 500 millions d'années après le Big Bang (à des décalages vers le rouge z~10), l'Univers brillait de trous noirs de plusieurs milliards de masses solaires.

Comme un projecteur : de profil, il émet une lumière rouge terne, mais de face, il éblouit en blanc-bleu. C'est exactement ce que sont les mystérieux « petits points rouges » de l'univers primordial : des trous noirs géants tournés vers nous de profil.

Au centre d'une galaxie lointaine, un trou noir supermassif est entouré d'un disque plat en rotation composé de gaz et de poussière — un gigantesque entonnoir de matière cosmique. Dans ce disque peut se trouver un petit objet compact, par exemple un autre trou noir de masse stellaire.

Un champ semé de graines. Certaines sont grosses et germent à la moindre pluie, d'autres sont capricieuses et exigent un sol particulier et des conditions rares. De quelles graines la terre est ensemencée dépend la forêt qui poussera dans des millions d'années. C'est à peu près ainsi que les astrophysiciens envisagent la naissance des trous noirs dans l'Univers primordial.

Une planète géante encore bébé continue d'attirer à elle les restes de matériaux de construction du nuage qui l'entoure. C'est exactement ce qu'a capturé le télescope spatial Hubble en pointant ses caméras vers l'objet catalogué SR 12 c.

Héritier des idées de Edwin Hubble, le télescope spatial James Webb a plongé dans une époque où l'expansion de l'univers commençait à peine à prendre de la vitesse. À des redshifts z>4, il a détecté d'étranges objets — les « Petits points rouges » (LRD).

Le halo stellaire de la Voie lactée est un palimpseste galactique : un manuscrit ancien où, sous le texte visible, se cachent des couches plus anciennes. On a longtemps pensé que la structure Gaïa-Saucisse/Encelade (GSE) était la dernière inscription de ce manuscrit, la trace d'une seule fusion cataclysmique.

L'expansion de l'univers, découverte par Edwin Hubble, nous a offert une image du cosmos jeune, mais aussi des questions épineuses.

Le télescope spatial James Webb a repéré dans les profondeurs du cosmos des objets étonnants : de petits points rouges qui brillent si intensément qu'on dirait un projecteur caché dans une ampoule minuscule.

Quelques centaines de millions d'années à peine après le Big Bang, des trous noirs géants se formaient déjà dans l'océan de matière noire invisible. Ils naissaient directement de cette matière, sans l'aide d'étoiles.

La ville est endormie depuis longtemps : pas une fenêtre éclairée, pas une nouvelle maison. Seul au centre, dans un unique bâtiment, quelqu'un a oublié d'éteindre un projecteur. C'est ainsi qu'apparaît une galaxie où les étoiles ne naissent plus, tandis que son trou noir central brille encore.

Jetez une pierre dans un étang, et des cercles se forment. Quelque chose de semblable se produit à l'intérieur d'amas compacts de matière noire lorsqu'ils se trouvent dans un environnement particulier : un champ scalaire.

Une casserole de bouillie bouillante, où au lieu de grains se trouvent des couches d'oxygène et de silicium, et où le feu en dessous est sur le point de s'éteindre, l'étoile s'effondrant sur elle-même.

Une éponge jetée dans un seau d'eau absorbe avidement l'humidité et gonfle à vue d'œil. Mais si l'on ajoute constamment de l'eau et que l'on comprime puis relâche l'éponge, l'absorption devient plus difficile et dure plus longtemps. C'est à peu près ainsi que se comportaient les minuscules trous noirs au tout début de l'Univers.

Deux trous noirs qui tournent l'un autour de l'autre se comportent comme un bateau qui rame avec des étoiles. Chaque étoile qui passe est rejetée, comme un coup de rame, et transmet de l'impulsion à la paire. On a longtemps pensé que cela ne faisait que rapprocher les trous noirs.

Jetez une pierre dans un étang — des cercles se propagent à la surface. Le cercle le plus visible est né de l'onde la plus forte. C'est à peu près ainsi que les physiciens imaginent la croissance des perturbations autour d'un trou noir : si le système présente une instabilité, sa composante la plus « bruyante » — celle qui croît le plus rapidement…

On gonfle un ballon de plus en plus vite. Au début, il s'étire doucement, mais à un moment donné, la pompe a un raté – la vitesse chute, puis reprend. Pendant cette courte pause, de minuscules bulles apparaissent sur le caoutchouc. Lorsqu'on gonfle à nouveau, elles se transforment en nœuds denses.

Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisine géante où les premières galaxies se formaient à partir d'une « pâte » primordiale d'hydrogène et d'hélium.

Un minuscule trou noir de la taille d'un noyau atomique flotte dans le bouillon brûlant de l'univers primordial. Normalement, une telle petite créature devrait s'évaporer rapidement, libérant son énergie comme une goutte d'eau sur une poêle brûlante. Mais si l'espace est plus complexe qu'il n'y paraît et contient des dimensions cachées, tout change.

Le télescope James Webb a détecté des trous noirs — c'est ainsi que les a nommés John Wheeler, tandis que Karl Schwarzschild les décrivait comme des pièges à lumière — qui, dès 500 millions d'années après le Big Bang, pesaient plus lourd que des…

Le télescope spatial James Webb a repéré, dans l'Univers primordial, de minuscules objets rouges anormalement brillants. Leur lumière dépasse de plusieurs centaines de fois ce que l'on attendrait de galaxies ordinaires de cette époque.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

Le mystère de la croissance rapide des trous noirs dans l'Univers jeune pourrait être expliqué par les quasi-étoiles. Ce sont des cocons de gaz géants avec un trou caché à l'intérieur. La matière qui y tombe s'échauffe et émet tant de lumière qu'elle empêche le cocon de se contracter.

Il y a 4 milliards d'années, la jeune Terre était impitoyablement bombardée de météorites, laissant des cratères en forme d'entonnoirs. Les pluies les remplissaient d'eau, formant des mares peu profondes où s'accumulaient des bulles graisseuses.

La croissance d'une galaxie ressemble à une danse entre deux partenaires : au centre de presque chaque grande galaxie se trouve un trou noir supermassif, et ils grandissent ensemble. Mais qui mène la danse ?

Les trous noirs sont des éviers cosmiques, des entonnoirs gravitationnels qui aspirent la matière environnante. Ce processus, appelé accrétion, ne se déroule pas toujours sans heurts : une partie du gaz qui tombe peut être éjectée sous forme de jets relativistes étroits — les jets.

Une ville où l'on construit simultanément un gratte-ciel et un immense parc. Le gratte-ciel s'élève vers le ciel, le parc s'étend en largeur. Les deux chantiers vont bon train et se gênent mutuellement, mais à terme, ils doivent former un tout cohérent.

Un trou noir est invisible tant qu'une étoile ne passe pas à proximité. Alors, les forces de marée étirent l'étoile comme un cuisinier étale sa pâte, et une partie de la matière tombe dans le trou, émettant un dernier éclat. Ces événements, appelés disruptions par effet de marée, sont une occasion rare de peser un trou noir qui, autrement, resterait invisible.

Le télescope James Webb a plongé son regard dans l'Univers primordial et y a aperçu une multitude d'énigmatiques points rouges. Leur lueur ne ressemblait ni aux galaxies habituelles, ni aux étoiles. La solution s'est avérée surprenante : ce sont des trous noirs en pleine croissance, nés sans passer par le stade stellaire.

Un trou noir en rotation agit comme un générateur cosmique : sa rotation injecte de l'énergie dans un nuage scalaire invisible – l'un des candidats au rôle de matière noire. Le champ scalaire ressemble à la température : en chaque point de l'espace, il est décrit par un seul nombre, sans flèches ni vecteurs.

Dans l'Univers primordial, quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, des « graines » particulières se formaient dans d'épais nuages de gaz : des trous noirs supermassifs. La simulation informatique a montré que ces germes étaient dix fois plus lourds qu'on ne le pensait : chacun pesait un million de soleils.

En utilisant des marqueurs de couleur sur les images du James Webb, les astronomes ont repéré des galaxies qui disparaissent en ultraviolet — le brouillard d'hydrogène à une certaine distance coupe leur lumière. C'est ainsi qu'ils ont trouvé les plus anciens systèmes stellaires.