Comment les trous noirs sont-ils devenus si gros et si rapides ? La réponse réside dans le noir

Le rayonnement de la matière noire dans l’univers primitif a peut-être contribué à maintenir l’hydrogène gazeux suffisamment chaud pour se condenser en trous noirs.

• Les trous noirs supermassifs mettent généralement des milliards d’années à se former. Mais Télescope spatial James Webb Sont-ils retrouvés peu de temps après ? Grand coup – Avant qu’ils aient eu le temps de se former.
• Université de Californie Les astrophysiciens ont découvert que si la matière noire se désintègre, les photons qu’elle émet maintiennent l’hydrogène gazeux suffisamment chaud pour que la gravité puisse le collecter en nuages ​​géants et éventuellement le condenser en une masse massive. Trou noir.
• En plus d’expliquer l’existence de trous noirs supermassifs très anciens, cette découverte conforte l’existence d’un type de matière noire capable de se désintégrer en particules telles que des photons.

Formation de trous noirs supermassifs

Il faut beaucoup de temps pour que des trous noirs supermassifs, comme celui au centre de notre galaxie, se forment. Voie lactée Normalement, la naissance d’un trou noir nécessite qu’une étoile géante d’une masse d’au moins 50 masses solaires s’éteigne – un processus qui pourrait prendre un milliard d’années – et que son noyau s’effondre sur lui-même.

Cependant, le trou noir qui en résulte, qui a une masse seulement environ 10 fois supérieure à celle du Soleil, est loin du trou noir de 4 millions de masse solaire connu sous le nom de Sagittaire A*, que l’on trouve dans notre Voie lactée. Ou des trous noirs supermassifs d’une masse d’un milliard de masses solaires qui existent dans d’autres galaxies. De tels trous noirs géants peuvent se former à partir de trous noirs plus petits grâce à l’accumulation de gaz et d’étoiles et en fusionnant avec d’autres trous noirs, ce qui prend des milliards d’années.

Secrets révélés par le télescope spatial James Webb

Mais pourquoi alors le télescope spatial James Webb détecte-t-il des trous noirs supermassifs au début des temps, des milliers d’années avant qu’ils ne se forment ? Des astrophysiciens de l’Université de Californie à Los Angeles ont trouvé une réponse aussi mystérieuse que les trous noirs eux-mêmes : la matière noire a empêché l’hydrogène de se refroidir suffisamment longtemps pour que la gravité le condense en nuages ​​suffisamment grands et denses pour se transformer en trous noirs au lieu d’étoiles. . Les résultats ont été publiés le 27 août dans la revue Nature Communications. Lettres d’examen des documents.

« C’était vraiment étonnant de trouver un trou noir supermassif d’une masse d’un milliard de masses solaires alors que l’univers lui-même n’a qu’un demi-milliard d’années », a déclaré Alexander Kosenko, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Los Angeles. et auteur principal de l’étude. « C’est comme trouver une voiture moderne parmi des os de dinosaures et se demander qui a construit cette voiture à l’époque préhistorique. »

Le défi du refroidissement des gaz dans l’espace

Certains astrophysiciens ont émis l’hypothèse qu’un énorme nuage de gaz pourrait s’effondrer pour former directement un trou noir supermassif, contournant ainsi la longue histoire de combustion, d’accrétion et de fusion des étoiles. Mais il y a un problème : la gravité rassemblera un énorme nuage de gaz, mais pas en un seul énorme nuage. Au lieu de cela, il collecte des morceaux de gaz dans de petits halos qui flottent les uns à côté des autres mais ne forment pas de trou noir.

La raison en est que le nuage de gaz se refroidit très rapidement. Tant que le gaz est chaud, sa pression est capable de résister à la gravité. Mais si le gaz refroidit, la pression chute et la gravité peut prévaloir dans de nombreuses petites régions, qui s’effondrent en objets denses avant que la gravité n’ait la chance d’entraîner l’ensemble du nuage dans un seul trou noir.

« La vitesse de refroidissement d’un gaz a beaucoup à voir avec la quantité d’hydrogène moléculaire », a déclaré le premier auteur et doctorant Yifan Lu. « Les atomes d’hydrogène liés ensemble dans une molécule dissipent de l’énergie lorsqu’ils rencontrent un atome d’hydrogène libre. maïs« Les molécules d’hydrogène deviennent des agents de refroidissement car elles absorbent l’énergie thermique et la rayonnent. Les nuages ​​​​d’hydrogène du premier univers contenaient beaucoup d’hydrogène moléculaire, et le gaz se refroidissait rapidement et formait de petits halos au lieu de gros nuages. »

Lu et le chercheur postdoctoral Zachary Becker ont écrit un code pour calculer tous les processus possibles pour ce scénario et ont découvert que le rayonnement supplémentaire pourrait chauffer le gaz et séparer les molécules d’hydrogène, modifiant ainsi la façon dont le gaz se refroidit.

« Si vous ajoutez un rayonnement dans une certaine plage d’énergie, cela détruit l’hydrogène moléculaire et crée des conditions qui empêchent la fragmentation des gros nuages », a ajouté Lu.

Le rôle de la matière noire dans la formation des trous noirs

Mais d’où viennent les radiations ?

Une infime fraction de la matière présente dans l’univers est celle qui constitue notre corps, notre planète, les étoiles et tout ce que nous pouvons observer. En fait, la grande majorité de la matière, observable par ses effets gravitationnels sur les corps stellaires et par la courbure des rayons lumineux provenant de sources lointaines, est constituée de nouvelles particules que les scientifiques n’ont pas encore pu identifier.

Les formes et les propriétés de la matière noire constituent un mystère qui reste à résoudre. Bien que nous ne sachions pas ce qu’est la matière noire, les spécialistes des particules imaginent depuis longtemps qu’elle pourrait contenir des particules instables capables de se désintégrer en photons, les particules de lumière. L’inclusion de cette matière noire dans la simulation a fourni le rayonnement nécessaire à la survie du gaz dans un gros nuage lorsqu’il s’effondre dans un trou noir.

La matière noire peut être constituée de particules en décomposition lente, ou elle peut être constituée de plusieurs particules. ClasserCertains sont stables et d’autres se décomposent précocement. Dans les deux cas, le produit de désintégration peut être un rayonnement sous forme de photons, qui brisent l’hydrogène moléculaire et empêchent les nuages ​​d’hydrogène de se refroidir trop rapidement. Même une très légère désintégration de la matière noire produit suffisamment de rayonnement pour empêcher le refroidissement, la formation de gros nuages ​​et, éventuellement, de trous noirs supermassifs.

« C’est peut-être la raison pour laquelle les trous noirs supermassifs ont été détectés si tôt », a déclaré Becker. « Si vous êtes optimiste, vous pouvez également lire cela comme une preuve positive d’un type de matière noire. Si ces trous noirs supermassifs se sont formés comme ça. » à la suite de l’effondrement d’un nuage de gaz, ils devraient peut-être… Le rayonnement supplémentaire requis proviendrait de la physique inconnue du secteur sombre.

Référence : « Effondrement direct des trous noirs supermassifs à partir de la désintégration des particules résiduelles » par Yifan Lu, Zachary S.C. Baker et Alexander Kosenko, 27 août 2024, Lettres d’examen des documents.
est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.133.091001