Astronomie

Comment un trou noir supermassif peut-il avoir 13 milliards d'années ?

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Un trou noir supermassif a été découvert récemment, vieux de 13 milliards d'années. Ce trou noir est 1,6 milliard de fois la masse du soleil. Comment ce trou noir a-t-il pu se former si rapidement après le big bang ? Les théories prédisent-elles la formation si rapide de trous noirs supermassifs ?


La réponse à cette question est inconnue à l'heure actuelle.

Le problème est qu'un "trou noir de semences" ne peut s'accumuler qu'à un taux limité. La limitation est fournie par la pression de rayonnement du matériau qu'il accrète. Cela fournit une rétroaction négative et définit un taux d'accrétion maximal pour l'accrétion sphérique connu sous le nom de limite d'Eddington, qui définit une luminosité maximale et donc un taux d'accrétion maximal (puisque l'accrétion fournit la luminosité).

Le résultat net est que le trou noir peut croître de façon exponentielle, avec une échelle de temps de croissance d'environ 30 à 40 millions d'années. C'est-à-dire qu'il peut à peu près doubler de masse dans cette échelle de temps.

Maintenant, les premières étoiles primordiales ont peut-être été beaucoup plus massives que les grandes étoiles de l'univers aujourd'hui, en raison de leur composition hydrogène/hélium pur. Même s'ils étaient capables de former jusqu'à quelques centaines de trous noirs de masse solaire, il faudrait encore près d'un milliard d'années pour construire un $10^9 M_dot$ trou noir, même s'il s'est accumulé au taux maximum d'Eddington pendant tout ce temps.

C'est un peu exagéré, donc des solutions alternatives sont recherchées. Ceux-ci inclus

  1. Peut-être que vous pouvez former des trous noirs encore plus gros à partir des premiers nuages ​​de gaz qui s'effondrent. Il existe certaines idées selon lesquelles si le gaz primordial est ionisé par les toutes premières étoiles massives, il ne se fragmentera pas en objets "stellaires". Cela peut vous permettre de former des "étoiles" très, très massives (parfois appelées "quasi-étoiles"), qui ont des trous noirs en leur centre plutôt que des noyaux à fusion nucléaire. Ceux-ci pourraient croître rapidement pour être de l'ordre $10^5 M_{odot}$ Cela peut réduire de nombreuses échelles de temps de croissance exponentielle en commençant par une graine plus massive.

  2. Peut-être que vous pouvez fusionner les trous noirs. Nous savons maintenant à partir des détections d'ondes gravitationnelles que des fusions peuvent se produire entre des trous noirs avec des dizaines de masses solaires pour former $sim 100M_odot$ trous noirs. Peut-être que dans l'univers primitif, il y a eu des amas de trous noirs de grande masse qui ont réussi à fusionner les uns avec les autres sur de courtes échelles de temps. Ceux-ci formeraient alors un trou noir de graines massif qui pourrait se développer relativement rapidement.

  3. Il existe quelques idées sur la façon dont la limite d'Eddington peut être contournée et l'accrétion de masse peut se dérouler à des taux plus élevés, peut-être en supprimant l'efficacité radiative du trou noir accréteur (par exemple, Li et al. 2012).


Quelle est la masse d'un trou noir supermassif ?

Il semble y avoir une limite, mais elle est de l'ordre de dizaines de milliards de fois la masse du soleil. Belinda Smith rapporte.

Il y a une limite à la taille d'un trou noir supermassif avant qu'il ne ralentisse sa propre croissance, suggèrent les calculs.

Dans l'illustration de cet artiste, un trou noir supermassif des milliards de fois la masse de notre soleil accumule de la matière au cœur d'une galaxie. Une nouvelle étude calcule s'il a une masse maximale.
NASA / JPL-Caltech

Kohei Inayoshi et Zoltan Haiman de l'Université Columbia à New York, États-Unis, ont modélisé l'évolution d'un trou noir supermassif au cours de la durée de vie de l'univers - 13,8 milliards d'années - et ont découvert qu'une fois qu'ils ont atteint environ 10 milliards de fois la masse du soleil, ils sortie par le haut.

À ce stade, la majorité du gaz s'écoulant vers et alimentant un trou noir supermassif est plutôt capturée dans le disque environnant, déclenchant la formation d'étoiles à des années-lumière et plus qu'assez loin pour rester à l'abri du trou noir.

Privé de carburant, le trou noir ralentit sa croissance. L'ouvrage, publié en Le Journal d'Astrophysique, explique pourquoi nous ne détectons pas les trous noirs supermassifs de plus de dix milliards de masses solaires aujourd'hui.

On pense que la plupart des grandes galaxies abritent un trou noir supermassif en leur centre. Nous en avons une au centre de notre galaxie, la Voie lactée - on pense qu'elle est environ 4,5 millions de fois plus massive que le soleil.

Mais c'est minuscule pour certains des monstres que nous avons détectés. Certains sont dans les dizaines de milliards de masses solaires. Mais c'est aussi énorme qu'ils semblent l'être. Pourquoi est-ce?

Inayoshi et Haiman pensaient que le processus de croissance rapide des trous noirs pourrait éventuellement être ce qui les ralentirait. Ils ont décidé de le modéliser et de voir ce qui s'est passé.

Pour qu'un trou noir supermassif devienne plus grand que le plus grand que nous ayons vu, il devrait engloutir environ 1 000 masses solaires chaque année.

Ce carburant doit venir de quelque part et à mesure que le temps passe, ils doivent utiliser du gaz de plus loin. Mais une fois que le gaz est extrait des confins de la galaxie, il reste bloqué à des dizaines de centaines d'années-lumière du trou noir.

La nourriture ralentit à un filet. Ceci, à son tour, change la physique du disque du trou noir.

La partie interne du disque gonfle et émet des jets puissants, supprimant davantage l'alimentation et donc la croissance.

Les calculs de la taille limite supérieure de la paire soutiennent une autre étude publiée dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society par Andrew King de l'Université de Leicester au Royaume-Uni en décembre de l'année dernière, qui a attribué le ralentissement de la croissance à la fragmentation du disque.

Belinda Smith

Belinda Smith est journaliste scientifique et technologique à Melbourne, en Australie.

Lisez des faits scientifiques, pas de la fiction.

Il n'y a jamais eu de moment plus important pour expliquer les faits, chérir les connaissances fondées sur des preuves et présenter les dernières avancées scientifiques, technologiques et techniques. Cosmos est publié par The Royal Institution of Australia, une organisation caritative dédiée à connecter les gens avec le monde de la science. Les contributions financières, qu'elles soient petites ou grandes, nous aident à fournir un accès à des informations scientifiques fiables à un moment où le monde en a le plus besoin. Veuillez nous soutenir en faisant un don ou en achetant un abonnement aujourd'hui.

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Comment un trou noir supermassif est né

IMAGE : Hai-Bo Yu est un physicien théoricien à UC Riverside avec une expertise dans les propriétés des particules de la matière noire.

RIVERSIDE, Californie -- Les trous noirs supermassifs, ou SMBH, sont des trous noirs dont la masse est plusieurs millions à plusieurs milliards de fois la masse de notre soleil. La Voie lactée abrite un SMBH dont la masse est plusieurs millions de fois la masse solaire. Étonnamment, les observations astrophysiques montrent que les SMBH existaient déjà lorsque l'univers était très jeune. Par exemple, un milliard de trous noirs de masse solaire ont été découverts alors que l'univers n'avait que 6 % de son âge actuel, soit 13,7 milliards d'années. Comment naissent ces SMBH dans l'univers primitif ?

Une équipe dirigée par un physicien théoricien de l'Université de Californie, Riverside, a trouvé une explication : un trou noir de graine massif que l'effondrement d'un halo de matière noire pourrait produire.

Le halo de matière noire est le halo de matière invisible entourant une galaxie ou un amas de galaxies. Bien que la matière noire n'ait jamais été détectée dans les laboratoires, les physiciens restent convaincus que cette matière mystérieuse qui constitue 85 % de la matière de l'univers existe. Si la matière visible d'une galaxie n'était pas incrustée dans un halo de matière noire, cette matière s'envolerait.

"Les physiciens se demandent pourquoi les SMBH dans l'univers primitif, qui sont situés dans les régions centrales des halos de matière noire, se développent si massivement en peu de temps", a déclaré Hai-Bo Yu, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UC Riverside, qui a dirigé l'étude qui apparaît dans Lettres de revues astrophysiques. "C'est comme un enfant de 5 ans qui pèse, disons, 200 livres. Un tel enfant nous étonnerait tous parce que nous connaissons le poids typique d'un nouveau-né et à quelle vitesse ce bébé peut grandir. En ce qui concerne les trous noirs, les physiciens ont des attentes générales concernant la masse d'un trou noir de graine et son taux de croissance. La présence de SMBH suggère que ces attentes générales ont été violées, nécessitant de nouvelles connaissances. Et c'est excitant. "

Un trou noir de graine est un trou noir à son stade initial - semblable au stade de bébé dans la vie d'un humain.

"Nous pouvons penser à deux raisons", a ajouté Yu. "La graine - ou " bébé " - le trou noir est soit beaucoup plus massif, soit il grandit beaucoup plus vite que nous le pensions, ou les deux. La question qui se pose alors est de savoir quels sont les mécanismes physiques pour produire un trou noir suffisamment massif ou atteindre un taux de croissance assez rapide ?"

"Il faut du temps pour que les trous noirs deviennent massifs en accrétant la matière environnante", a déclaré le co-auteur Yi-Ming Zhong, chercheur postdoctoral à l'Institut Kavli de physique cosmologique de l'Université de Chicago. "Notre article montre que si la matière noire a des auto-interactions, l'effondrement gravothermique d'un halo peut conduire à un trou noir suffisamment massif. Son taux de croissance serait plus conforme aux attentes générales."

En astrophysique, un mécanisme populaire utilisé pour expliquer les SMBH est l'effondrement du gaz primitif dans les protogalaxies de l'univers primitif.

"Ce mécanisme, cependant, ne peut pas produire un trou noir de graine suffisamment massif pour accueillir les SMBH nouvellement observés - à moins que le trou noir de graine n'ait connu un taux de croissance extrêmement rapide", a déclaré Yu. "Notre travail fournit une explication alternative : un halo de matière noire à interaction automatique subit une instabilité gravothermique et sa région centrale s'effondre dans un trou noir de graine."

L'explication que Yu et ses collègues proposent fonctionne de la manière suivante :

Les particules de matière noire se regroupent d'abord sous l'influence de la gravité et forment un halo de matière noire. Au cours de l'évolution du halo, deux forces concurrentes - la gravité et la pression - agissent. Alors que la gravité attire les particules de matière noire vers l'intérieur, la pression les pousse vers l'extérieur. Si les particules de matière noire n'ont pas d'auto-interactions, alors, à mesure que la gravité les attire vers le halo central, elles deviennent plus chaudes, c'est-à-dire qu'elles se déplacent plus rapidement, que la pression augmente efficacement et qu'elles rebondissent. Cependant, dans le cas de la matière noire auto-interagissant, les auto-interactions de la matière noire peuvent transporter la chaleur de ces particules « plus chaudes » vers des particules plus froides à proximité. Cela rend difficile le rebond des particules de matière noire.

Yu a expliqué que le halo central, qui s'effondrerait dans un trou noir, a un moment angulaire, ce qui signifie qu'il tourne. Les auto-interactions peuvent induire une viscosité, ou "frottement", qui dissipe le moment angulaire. Pendant le processus d'effondrement, le halo central, qui a une masse fixe, rétrécit en rayon et ralentit en rotation en raison de la viscosité. Au fur et à mesure que l'évolution se poursuit, le halo central finit par s'effondrer dans un état singulier : un trou noir de graine. Cette graine peut devenir plus massive en accrétant la matière baryonique environnante - ou visible - telle que le gaz et les étoiles.

"L'avantage de notre scénario est que la masse du trou noir germe peut être élevée car elle est produite par l'effondrement d'un halo de matière noire", a déclaré Yu. « Ainsi, il peut devenir un trou noir supermassif dans un délai relativement court. »

Le nouveau travail est nouveau en ce sens que les chercheurs identifient l'importance des baryons - des particules atomiques et moléculaires ordinaires - pour que cette idée fonctionne.

"Tout d'abord, nous montrons que la présence de baryons, tels que le gaz et les étoiles, peut accélérer considérablement le début de l'effondrement gravothermique d'un halo et qu'un trou noir pourrait être créé suffisamment tôt", a déclaré Wei-Xiang Feng, étudiant diplômé de Yu. et un co-auteur sur le papier. "Deuxièmement, nous montrons que les auto-interactions peuvent induire une viscosité qui dissipe le reste de moment angulaire du halo central. Troisièmement, nous développons une méthode pour examiner la condition de déclenchement de l'instabilité relativiste générale du halo effondré, ce qui garantit qu'un trou noir pourrait forme si la condition est remplie.

Au cours de la dernière décennie, Yu a exploré de nouvelles prédictions sur les auto-interactions de la matière noire et leurs conséquences observationnelles. Ses travaux ont montré que la matière noire à interaction automatique peut fournir une bonne explication du mouvement observé des étoiles et du gaz dans les galaxies.

"Dans de nombreuses galaxies, les étoiles et le gaz dominent leurs régions centrales", a-t-il déclaré. "Ainsi, il est naturel de se demander comment la présence de cette matière baryonique affecte le processus d'effondrement. Nous montrons que cela accélérera le début de l'effondrement. Cette caractéristique est exactement ce dont nous avons besoin pour expliquer l'origine des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif. Les auto-interactions conduisent également à une viscosité qui peut dissiper le moment angulaire du halo central et aider davantage le processus d'effondrement. "


Informations Complémentaires

Ces résultats d'observation sont présentés comme Takuma Izumi et al. “Exploration Subaru High-z des quasars à faible luminosité (SHELLQ). XIII. Rétroaction à grande échelle et formation d'étoiles dans un quasar à faible luminosité à z = 7,07, dans l'Astrophysical Journal du 14 juin 2021.

La version originale de l'image a été publiée par l'Observatoire national d'astronomie du Japon (NAOJ), partenaire d'ALMA au nom de l'Asie de l'Est.

Cette recherche a été soutenue par la Japan Society for Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (No. JP20K14531, JP17H06130, 1146 JP17H01114, JP19J00892), the Leading Initiative for Excellent Young Researchers, MEXT, Japan (HJH02007), NAOJ ALMA Scientific Research Grant ( 2017-06B, 2020-16B), espagnol MICINN (PID2019-10GB-C33 et “Unit of Excellence María de Maeztu 2020-2023” décerné à ICCUB (CEX2019-000918-M)), National Science Foundation of China (11721303 et la Fondation nationale danoise de la recherche au titre de la subvention n° 140.

L'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), une installation internationale d'astronomie, est un partenariat de l'Observatoire européen austral (ESO), de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et des National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon en coopération avec la République du Chili. ALMA est financé par l'ESO au nom de ses États membres, par la NSF en coopération avec le Conseil national de recherches du Canada (NRC) et le ministère de la Science et de la Technologie (MOST) à Taïwan et par le NINS en coopération avec l'Academia Sinica (AS) à Taïwan et à l'Institut coréen d'astronomie et des sciences spatiales (KASI).

La construction et les opérations d'ALMA sont dirigées par l'ESO au nom de ses États membres par l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO), géré par Associated Universities, Inc. (AUI), au nom de l'Amérique du Nord et par l'Observatoire national d'astronomie du Japon (NAOJ ) au nom de l'Asie de l'Est. L'Observatoire conjoint ALMA (JAO) assure la direction et la gestion unifiées de la construction, de la mise en service et de l'exploitation d'ALMA.


Des astronomes découvrent le plus ancien trou noir supermassif de l'univers

Les astronomes ont découvert environ 750 000 quasars, qui sont parmi les objets les plus brillants et les plus énergétiques de l'univers. Malgré sa désignation sans intérêt, J0313-1806 se distingue des autres quasars. Cet objet récemment repéré est le plus ancien quasar connu de l'univers, avec un trou noir supermassif vieux de plus de 13 milliards d'années. En fait, il est si vieux et énorme que les scientifiques ne savent pas exactement comment il a pu se former.

Les premiers quasars ont été découverts au milieu du 20e siècle, mais ce n'est que plusieurs décennies plus tard que nous avons commencé à comprendre ce qu'étaient ces objets. Un quasar est un noyau galactique actif dans lequel le trou noir supermassif qui ancre la galaxie attire la matière pour former un disque d'accrétion gazeux. Toute cette matière qui entre en collision dans sa spirale dans le trou noir libère un torrent d'énergie électromagnétique qui sert de marque de fabrique à ces objets. J0313-1806, par exemple, brille 1 000 fois plus que toute notre galaxie.

J0313-1806 est loin de 13,03 milliards d'années-lumière pour être exact. Cela signifie que nous voyons cet objet tel qu'il était à peine 670 millions d'années après le Big Bang, et il est encore énorme. Les astronomes estiment que J0313-1806 a environ 1,6 milliard de masses solaires comme âge observé. Ce n'est pas hors de propos pour un trou noir supermassif ailleurs dans l'univers, mais ils ont eu plus de temps pour aspirer la matière et grossir. J0313-1806 n'aurait pas dû avoir le temps dans l'univers primitif de devenir si grand.

L'équipe a utilisé des instruments au sol comme l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et les Mauna Kea Observatories (MKO) pour repérer J0313-1806 l'année dernière. Il a renversé le précédent détenteur du record du plus vieux quasar, qui a environ 20 millions d'années de moins. Les modèles actuels de formation de cales noires supposent qu'une étoile s'effondre pour former une singularité, mais la "masse de graine" pour J0313-1806 aurait dû être d'au moins 10 000 masses solaires pour atteindre 1,6 milliard si rapidement.

Le trou noir supermassif M87 photographié en 2019.

L'étude avance une hypothèse pour expliquer l'existence de ce quasar bizarre, connu sous le nom de scénario d'effondrement direct. Dans ce modèle, ce n'était pas une étoile en train de s'effondrer qui a formé le trou noir supermassif. Au lieu de cela, un énorme nuage d'hydrogène gazeux froid s'est effondré vers l'intérieur pour former un trou noir beaucoup plus grand que n'importe quelle source stellaire pourrait produire. Cela pourrait expliquer pourquoi les astronomes voient autant de trous noirs gigantesques dans l'univers primitif.

Malheureusement, J0313-1806 est si éloigné que nous ne pouvons pas recueillir beaucoup plus de détails avec la technologie actuelle. Le futur télescope spatial James Webb pourrait cependant être suffisamment précis pour imager des objets comme J0313-1806. Après de nombreuses années de retard, la NASA prévoit de lancer le télescope Webb fin 2021.


Les astronomes trouvent le trou noir supermassif le plus éloigné de tous les temps

Les astronomes ont découvert le trou noir supermassif le plus éloigné de tous les temps. Appelé J0313-1806, le trou noir supermassif se trouve dans un quasar situé à plus de 13 milliards d'années-lumière de nous. Et le trou noir est si gigantesque qu'il est 1,6 milliard de fois plus gros que notre soleil.

Un quasar est l'objet le plus brillant de tout l'univers et est situé au centre d'une galaxie. À l'intérieur d'un quasar se trouve un trou noir supermassif qui est des millions à des milliards de fois plus gros qu'un soleil. Étant donné que les trous noirs contiennent des quantités exceptionnelles de gravité qui attrapent la poussière et le gaz (et peuvent même déchirer les étoiles), un cercle de débris tourne autour du trou noir à des vitesses très élevées qui émettent des quantités gigantesques d'énergie qui peuvent être vues de la Terre comme un brillant lumière. Et J0313-1806 est incroyablement lumineux car il est environ mille fois plus lumineux que notre galaxie de la Voie lactée.

Les astronomes ont détecté le quasar en utilisant plusieurs observatoires tels que l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array au Chili ainsi que deux observatoires à Hawaï situés sur le Mauna Kea. Après sa détection, les experts ont alors pu déterminer sa distance par rapport à nous et ont même pu étudier son trou noir supermassif.

Un exemple de trou noir.

Si cette découverte est vraiment fascinante, elle soulève aussi pas mal de questions. Par exemple, puisqu'il s'est formé lorsque l'univers n'avait que 670 millions d'années, cela contredit la compréhension antérieure de leur croissance - il n'aurait pas été possible qu'un trou noir de cette taille gigantesque se soit formé en si peu de temps. temps.

Xiaohui Fan, astronome à l'Université de l'Arizona et auteur de l'étude, a expliqué cela plus en détail : « Pour que le trou noir ait atteint la taille que nous voyons avec J0313-1806, il aurait dû a commencé avec un trou noir de graine d'au moins 10 000 masses solaires. "Cela ne serait possible que dans le scénario d'effondrement direct." Au lieu d'étoiles s'effondrant dans le trou noir, il s'agissait peut-être de grandes quantités d'hydrogène gazeux froid.

Et il n'a pas fini de grandir car les experts estiment que le trou noir consomme l'équivalent de 25 masses solaires chaque année, selon les données spectrales qu'ils ont collectées. "Ces quasars sont vraisemblablement toujours en train de construire leurs trous noirs supermassifs", a noté Fan.

Un autre exemple de trou noir.

Feige Wang, astronome à l'observatoire Steward de l'Université de l'Arizona et autre auteur de l'étude, a ajouté: "C'est la première preuve de la façon dont un trou noir supermassif affecte sa galaxie hôte qui l'entoure", ajoutant , "D'après les observations de galaxies moins éloignées, nous savons que cela doit se produire, mais nous ne l'avons jamais vu se produire si tôt dans l'univers." Une impression d'artiste de ce à quoi peut ressembler J0313-1806 peut être vue ici.


Remarques

[1] Pour plus d'informations, veuillez consulter le communiqué de presse du télescope Subaru publié le 13 mars 2019, « Les astronomes découvrent 83 trous noirs supermassifs dans l'univers primitif ». Le nombre de galaxies avec des trous noirs supermassifs découverts était de 83 au moment de cette annonce, mais le nombre de découvertes est maintenant passé à plus de 100.

[2] Le redshift de cet objet est z=7.07. En utilisant les paramètres cosmologiques mesurés avec Planck (H0=67,3km/s/Mpc, m=0,315, Λ=0,685 : Résultats Planck 2013), nous pouvons calculer la distance à l'objet à 13,1 milliards d'années-lumière. (Veuillez vous référer à “Exprimer la distance aux objets distants” pour les détails.)


Contenu principal

« Les trous noirs supermassifs, ou SMBH, sont des trous noirs dont la masse est plusieurs millions à plusieurs milliards de fois la masse de notre soleil. La Voie lactée abrite un SMBH dont la masse est plusieurs millions de fois la masse solaire. Étonnamment, les observations astrophysiques montrent que les SMBH existaient déjà lorsque l'univers était très jeune. Par exemple, un milliard de trous noirs de masse solaire ont été découverts alors que l'univers n'avait que 6 % de son âge actuel, soit 13,7 milliards d'années. Comment naissent ces SMBH dans l'univers primitif ?

Une équipe dirigée par un physicien théoricien de l'Université de Californie, Riverside, a trouvé une explication : un trou noir de graine massif que l'effondrement d'un halo de matière noire pourrait produire.

Le halo de matière noire est le halo de matière invisible entourant une galaxie ou un amas de galaxies. Bien que la matière noire n'ait jamais été détectée dans les laboratoires, les physiciens restent convaincus que cette matière mystérieuse qui constitue 85 % de la matière de l'univers existe. Si la matière visible d'une galaxie n'était pas incrustée dans un halo de matière noire, cette matière s'envolerait.

"Les physiciens se demandent pourquoi les SMBH dans l'univers primitif, qui sont situés dans les régions centrales des halos de matière noire, se développent si massivement en peu de temps", a déclaré Hai-Bo Yu, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UC Riverside, qui a dirigé l'étude publiée dans Astrophysical Journal Letters. «C'est comme un enfant de 5 ans qui pèse, disons, 200 livres. Un tel enfant nous étonnerait tous parce que nous connaissons le poids typique d'un nouveau-né et à quelle vitesse ce bébé peut grandir. En ce qui concerne les trous noirs, les physiciens ont des attentes générales concernant la masse d'un trou noir de graine et son taux de croissance. La présence de SMBH suggère que ces attentes générales ont été violées, nécessitant de nouvelles connaissances. Et c'est excitant."

Un trou noir de graine est un trou noir à son stade initial - semblable au stade de bébé dans la vie d'un humain.

"Nous pouvons penser à deux raisons", a ajouté Yu. « La graine – ou « bébé » – le trou noir est soit beaucoup plus massif, soit il grandit beaucoup plus vite que nous le pensions, ou les deux. La question qui se pose alors est de savoir quels sont les mécanismes physiques permettant de produire un trou noir de graine suffisamment massif ou d'atteindre un taux de croissance suffisamment rapide ?

"Il faut du temps pour que les trous noirs deviennent massifs en accrétant la matière environnante", a déclaré le co-auteur Yi-Ming Zhong, chercheur postdoctoral à l'Institut Kavli de physique cosmologique de l'Université de Chicago. « Notre article montre que si la matière noire a des auto-interactions, l'effondrement gravothermique d'un halo peut conduire à un trou noir suffisamment massif. Son taux de croissance serait plus conforme aux attentes générales.

En astrophysique, un mécanisme populaire utilisé pour expliquer les SMBH est l'effondrement du gaz primitif dans les protogalaxies de l'univers primitif.

"Ce mécanisme, cependant, ne peut pas produire un trou noir de graine suffisamment massif pour accueillir les SMBH nouvellement observés - à moins que le trou noir de graine n'ait connu un taux de croissance extrêmement rapide", a déclaré Yu. "Notre travail fournit une explication alternative : un halo de matière noire à interaction automatique subit une instabilité gravothermique et sa région centrale s'effondre dans un trou noir de graine."

L'explication que Yu et ses collègues proposent fonctionne de la manière suivante :

Les particules de matière noire se regroupent d'abord sous l'influence de la gravité et forment un halo de matière noire. Au cours de l'évolution du halo, deux forces concurrentes - la gravité et la pression - agissent. Alors que la gravité attire les particules de matière noire vers l'intérieur, la pression les pousse vers l'extérieur. Si les particules de matière noire n'ont pas d'auto-interactions, alors, à mesure que la gravité les attire vers le halo central, elles deviennent plus chaudes, c'est-à-dire qu'elles se déplacent plus rapidement, que la pression augmente efficacement et qu'elles rebondissent. Cependant, dans le cas de la matière noire auto-interagissant, les auto-interactions de la matière noire peuvent transporter la chaleur de ces particules « plus chaudes » vers des particules plus froides à proximité. Cela rend difficile le rebond des particules de matière noire.

Yu a expliqué que le halo central, qui s'effondrerait dans un trou noir, a un moment angulaire, ce qui signifie qu'il tourne. Les auto-interactions peuvent induire une viscosité, ou «frottement», qui dissipe le moment angulaire. Pendant le processus d'effondrement, le halo central, qui a une masse fixe, rétrécit en rayon et ralentit en rotation en raison de la viscosité. Au fur et à mesure que l'évolution se poursuit, le halo central finit par s'effondrer dans un état singulier : un trou noir de graine. Cette graine peut devenir plus massive en accrétant de la matière baryonique - ou visible - environnante telle que le gaz et les étoiles.

"L'avantage de notre scénario est que la masse du trou noir de la graine peut être élevée car elle est produite par l'effondrement d'un halo de matière noire", a déclaré Yu. « Ainsi, il peut devenir un trou noir supermassif dans un délai relativement court. »

Le nouveau travail est nouveau en ce sens que les chercheurs identifient l'importance des baryons - des particules atomiques et moléculaires ordinaires - pour que cette idée fonctionne.

"Tout d'abord, nous montrons que la présence de baryons, tels que le gaz et les étoiles, peut accélérer considérablement le début de l'effondrement gravothermique d'un halo et qu'un trou noir pourrait être créé suffisamment tôt", a déclaré Wei-Xiang Feng, étudiant diplômé de Yu. et un co-auteur sur le papier. « Deuxièmement, nous montrons que les auto-interactions peuvent induire une viscosité qui dissipe le reste du moment angulaire du halo central. Troisièmement, nous développons une méthode pour examiner la condition de déclenchement de l'instabilité relativiste générale du halo effondré, qui garantit qu'un trou noir pourrait se former si la condition est satisfaite.

Au cours de la dernière décennie, Yu a exploré de nouvelles prédictions sur les auto-interactions de la matière noire et leurs conséquences observationnelles. Ses travaux ont montré que la matière noire à interaction automatique peut fournir une bonne explication du mouvement observé des étoiles et du gaz dans les galaxies.

« Dans de nombreuses galaxies, les étoiles et le gaz dominent leurs régions centrales », a-t-il déclaré. « Ainsi, il est naturel de se demander comment la présence de cette matière baryonique affecte le processus d'effondrement. Nous montrons que cela accélérera le début de l'effondrement. Cette caractéristique est exactement ce dont nous avons besoin pour expliquer l'origine des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif. Les auto-interactions conduisent également à une viscosité qui peut dissiper le moment angulaire du halo central et aider davantage le processus d'effondrement.

L'étude a été financée par le département américain de l'Énergie de la NASA, l'Institut Kavli de physique cosmologique et la Fondation John Templeton.

Le document de recherche s'intitule « Semer des trous noirs supermassifs avec de la matière noire à interaction automatique : un scénario unifié avec des baryons ».


Construire un trou noir supermassif en moins d'un milliard d'années

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Des décennies d'astronomie ont révélé que les trous noirs supermassifs, pesant jusqu'à des milliards de fois la masse du Soleil, habitent les centres de la plupart des galaxies, sinon de toutes. Dans certaines galaxies, ces trous noirs alimentent les quasars, dans lesquels la matière énergétique près du trou noir émet de grandes quantités de lumière. Cette sortie nous a aidés à repérer les quasars à de grandes distances, ce qui signifie qu'ils datent de l'époque où l'Univers n'avait que quelques centaines de millions d'années.

Cela soulève une question évidente : comment pouvez-vous construire quelque chose d'aussi grand en si peu de temps (relativement) ? Une critique dans le numéro d'aujourd'hui de La science (fait partie d'une série d'articles consacrés aux trous noirs) décrit plusieurs moyens potentiels pour générer un trou noir de cette taille dans un délai très serré.

La plupart des trous noirs sont produits par des supernovae, déclenchés par des étoiles qui ont moins de 100 fois la masse du Soleil. Ceux-ci laissent derrière eux des trous noirs qui ne représentent que quelques fois la masse solaire. Bien que ceux-ci puissent se développer en puisant dans la matière de leur environnement, cela nécessiterait un taux de croissance très élevé pendant très longtemps - il n'est tout simplement pas réaliste qu'ils aient donné naissance aux géantes au cœur des galaxies.

Mais il y a beaucoup de raisons de penser qu'ils n'en auraient pas besoin. Plusieurs modèles de formation d'étoiles indiquent que les premières étoiles étaient des centaines de fois la masse du Soleil, bien plus grosses que toutes les étoiles dont nous sommes certains qu'elles existent aujourd'hui. C'est parce qu'ils se sont formés en l'absence d'éléments plus lourds, ce qui permet une formation d'étoiles plus efficace en rayonnant la chaleur générée par l'effondrement gravitationnel de l'étoile. Sans aucun de ces éléments lourds, les étoiles devaient être beaucoup plus lourdes pour surmonter leur propre chaleur.

Dans le haut de gamme, ces poids ultra-lourds n'avaient pas le genre de cycle de vie que nous associons aux étoiles de l'Univers actuel. Les étoiles modernes trouvent un équilibre entre la force de gravité intérieure et la pression extérieure entraînée par la fusion, et peuvent brûler pendant des milliards d'années. Dans ces premières étoiles, la gravité est si grande que la fusion n'a aucune chance - elles s'effondrent simplement directement dans un trou noir pesant environ 200 fois la masse du Soleil. Si suffisamment de ceux-ci se formaient au cœur des premières galaxies, des fusions et une accumulation rapide de gaz pourraient suffire à les faire croître rapidement.

Une variation sur cette idée déplace les fusions plus tôt. Dans ce modèle, les étoiles initiales n'ont pas besoin d'être aussi grosses, ce qui peut être une bonne chose, étant donné que certains modèles de formation d'étoiles suggèrent maintenant que des étoiles plus légères auraient pu se former dans l'Univers primitif. Dans les centres denses des premières galaxies, cependant, ces étoiles pourraient entrer en collision et fusionner, formant une étoile supermassive, quelques mille fois la masse du Soleil. Si cela se produit assez rapidement, l'étoile pourrait s'effondrer directement dans un trou noir de 1 000 fois la masse du Soleil.

Enfin, l'option la plus exotique envisagée est celle où des instabilités dynamiques dans un grand nuage de gaz pourraient créer une chute soudaine et rapide suffisamment rapide pour surmonter la pression de fusion vers l'extérieur. Dans ce cas, le noyau de l'étoile s'effondrerait dans un trou noir alors même que davantage de matière continue de tomber dans les couches externes du corps. This would create something that's a hollow shell of "star" surrounding a large black hole that would siphon off material just a bit faster than it arrived. By the time the black hole had swallowed the shell entirely, models suggest it could be as massive as a million Suns.

How can we distinguish among these models? One option would be to study more quasars at the most distant edges of the visible Universe, since these would be the oldest and thus the closest to the original formation of their black holes. But the best option would be to have a record of the violent events that produce them. For that, we have to wait for the further development of gravity wave detectors.

None of these mechanisms provide for a black hole with billions of solar masses. But the star forming regions of the early Universe were probably dense enough that collisions among small protogalaxies were common, and these should lead to mergers of these central black holes. But that's something we do have a grip on, as demonstrated by a video of merger simulations that accompanied Science's black hole package.


Supporting 'Coevolution' Notion

Remarkably, the bulge's mass in J1243+0100 was discovered to be approximately 30 billion times larger than that of the sun, whereas the mass of the supermassive black hole of the galaxy was approximated to be roughly one percent of that.

The ratio is vitally the same as the black holes' mass ratio to the galaxy in today's universe. To the researchers, this validates how important black holes are in impacting the galaxies' growth, supporting the idea of coevolution from the universe's early period.

Commenting on their finding from the study entitled, "Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). XIII. Large-scale Feedback and Star Formation in a Low-Luminosity Quasar at z = 7.07 on the Local Black Hole to Host Mass Relation", published in the Astrophysics Journal, Izumi said that their observations support recent "high-precision computer simulations" which have forecasted that coevolutionary associations were in place even at roughly 13 billion years back.

The researchers are now planning to observe in the future a large pool of space objects with the objective of clarifying whether the primordial coevolution seen in the object is a precise image of the general universe at that time or not Izumi commented further.

Related information about galactic winds is shown on The Real MLordandGod's YouTube video below:

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