Comment se sont formés les trous noirs supermassifs ?

Deux hypothèses concourent pour expliquer l’existence de trous noirs très massifs moins d’un milliard d’années seulement après le Big Bang. Naissent-ils petits puis grossissent-ils très rapidement ou naissent-ils déjà gros ? Des chercheurs italiens pensent avoir trouvé un début de réponse.

Des trous noirs supermassifs, il y en aurait quasiment au cœur de chaque grande galaxie de l’Univers. Beaucoup, comme celui tapi au centre de la Voie lactée, Sagittarius A*, n’affichent que quelques millions de fois la masse du Soleil, ce qui est déjà très impressionnant en comparaison avec les petits trous noirs stellaires, et d’autres – le plus souvent au sein de galaxies dominant des superamas, mais il y a aussi des exceptions – sont hypermassifs : des boulimiques de plusieurs milliards de masses solaires (21 milliards de masses solaires pour le record).

Tous ont grandi avec leurs galaxies-hôte, se régalant du gaz qu’elles renferment et dévorant des étoiles qui passent par là. Ces trous noirs supermassifs ont bien sûr profité abondamment du cannibalisme galactique, et décuplé leurs pouvoirs d’attraction en fusionnant avec leurs congénères. Il en est ainsi depuis plus de 13 milliards d’années, soit à peu près autant que toute l’histoire de notre Univers.

Mais leur croissance rapide intrigue beaucoup les astrophysiciens. Comment se fait-il qu’ils soient déjà si « gros » au sein de jeunes structures galactiques, moins d’un milliard d’années seulement après le Big Bang ? La question est débattue depuis plusieurs années, les chercheurs confrontant divers modèles de développement. Dans un article à paraître dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (et disponible sur arXiv), une équipe italienne dirigée par Fabio Pacucci, de l’École normale supérieure de Pise en Italie, esquisse une réponse convaincante, renforcée par des observations avec trois télescopes spatiaux.

Les graines de trous noirs supermassifs

La première des deux théories principales qui s’affrontent suppose que les futurs trous noirs supermassifs ont commencé petits, par effondrement gravitationnel du cœur d’une étoile massive (jusqu’à plusieurs dizaines de masses solaires). Ensuite, ces trous noirs de type stellaire se développent petit à petit en fusionnant avec d’autres de leurs semblables, et bien sûr, en engloutissant de grandes quantités de matière autour d’eux. Il est cependant étonnant qu’ils puissent devenir si gros en si peu de temps…

L’autre piste envisagée – et les recherches dans ce sens sont prometteuses – est qu’ils naissent déjà gros, avec au moins 100.000 masses solaires. Ils auraient en quelque sorte sauté toutes les étapes intermédiaires. Leurs géniteurs, dans un Univers encore très jeune, ne seraient autres que d’imposants nuages de gaz qui s’effondrent sur eux-mêmes.

« Notre travail suggère que nous convergeons sur une réponse, a déclaré Andrea Ferrara, également de l’École normale supérieure de Pise et coauteure de l’article, les trous noirs commencent gros et croissent à un taux normal, plutôt que de commencer petit et de croître à un rythme très rapide ».

Le profil du nuage de gaz OBJ29323 détecté par Chandra dans le rayonnement X correspond à celui d’une « graine de trou noir supermassif » comme cela est prévu par les modèles — Crédit : NASA, CXC, Scuola Normale Superiore, Pacucci

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