Trous noirs supermassifs : des étoiles supergéantes en seraient à l’origine

Comment sont nés les trous noirs supermassifs, dont certains sont à l’origine des quasars, tapis au centre des galaxies ? De nouvelles et récentes simulations numériques consolident une des hypothèses avancées : ils se seraient formés à partir d’étoiles géantes de quelque 100.000 masses solaires. L’étude des ondes gravitationnelles pourrait confirmer, ou pas, ce scénario.

Dès le début des années 1960, l’existence d’étoiles supermassives a été postulée pour expliquer les observations étonnantes concernant les quasars qui venaient tout juste de faire leur apparition en astrophysique. La luminosité intrinsèque de ces objets semblait difficile à admettre étant donné leur décalage spectral vers le rouge qui indiquait qu’ils étaient très lointains. Des quantités prodigieuses d’énergie devaient être libérées chaque seconde et il n’est pas possible de rendre compte à partir de réactions de fusion thermonucléaire. Il était alors plus confortable intellectuellement de supposer l’existence d’étoiles géantes proches de la Voie lactée, voire dans notre Galaxie, mais avec un champ de gravitation si élevé qu’il produisait l’important décalage observé. Cette hypothèse aida à la création de l’astrophysique relativiste car de telles étoiles devaient nécessairement être soumises à des effets non négligeables de la physique d’Einstein concernant le champ de gravitation.

Les quasars sont expliqués aujourd’hui en postulant l’existence de trous noirs supermassifs possédant entre plusieurs millions et plusieurs milliards de masses solaires sous l’horizon des événements. Mais cette hypothèse, qui éclaire de nombreuses observations, a conduit à une nouvelle énigme : comment ces objets se sont-ils formés ?

Les astrophysiciens et les cosmologistes explorent plusieurs pistes, dont un renouveau de l’hypothèse de l’existence des étoiles supermassives relativistes au début de l’histoire du cosmos observable. Nous n’en avons pour le moment observé aucune mais cela n’empêche pas les astrophysiciens numériciens de simuler leur formation et leur comportement sur ordinateur, à travers divers scénarios. L’un des derniers en date à ce sujet provient notamment de chercheurs du fameux Los Alamos National Laboratory, là où a été conçu et fabriqué la première bombe atomique.

Etoile supermassive

Une coupe de l’intérieur d’une étoile supermassive d’environ 55.000 masses solaires débutant son explosion. Il s’agit d’une simulation montrant les courants de matière qui s’élèvent tels des panaches dans un volume dont le rayon est celui de l’orbite de la Terre. (Source : UCSC)

Selon Joseph Smidt et ses collègues, comme ils l’expliquent dans un article déposé sur arXiv, les premiers quasars pourraient être nés de l’effondrement direct d’importants nuages d’hydrogène moléculaire et d’hélium ayant conduit à la formation, tout d’abord d’étoiles supermassives de… 100.000 masses solaires ! En s’effondrant gravitationnellement, elles vont ensuite donner naissance à des trous noirs qui vont accréter rapidement du gaz et devenir supermassifs, de l’ordre du milliard de masses solaires. Ils étaient déjà nombreux, un milliard d’années après le Big Bang.

D’autres scénarios sont possibles et il est probable qu’ils opèrent simultanément, rendant compte du spectre de masses des trous noirs supermassifs observés. Il est possible ainsi d’invoquer des fusions précoces de trous noirs massifs.

En ce qui concerne l’existence des étoiles supermassives, la mise en orbite en 2018 du télescope spatial James Webb pourrait contribuer à nous les révéler. À plus longue échéance, si l’on en croit des travaux réalisés l’année dernière par des membres de l’Institute for Computational Cosmology (ICC) de l’université Durham au sein du projet EAGLE et qui ont réalisé des simulations, ces différents scénarios conduisent à des émissions d’ondes gravitationnelles distinctes que l’on devrait pouvoir observer et mesurer avec eLISA, ce qui permettrait de les départager (voir la vidéo ci-dessus).

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, la page Astronomie/Physique.

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