Il y a environ 13 milliards d'années, alors que notre univers n'était encore qu'une start-up décousue, le cosmos a connu une séquence créative et a créé des trous noirs supermassifs à gauche, à droite et au centre.
Les astronomes peuvent toujours jeter un coup d'œil à ces reliques du premier univers lorsqu'ils regardent des quasars, des objets incroyablement grands et incroyablement brillants censés être alimentés par de vieux trous noirs des milliards de fois plus massifs que le soleil de la Terre. Cependant, l'existence même de ces objets anciens pose problème. De nombreux quasars semblent provenir des 800 premiers millions d'années de l'univers, bien avant qu'une étoile ne puisse devenir assez grande ou assez vieille pour s'effondrer sous sa propre masse, exploser dans une supernova et former un trou noir.
Alors, d'où viennent ces vieux trous dans le tissu de l'espace-temps? Selon une théorie populaire, il suffit peut-être de beaucoup de gaz.
Dans une nouvelle étude, publiée le 28 juin dans The Astrophysical Journal Letters, les chercheurs ont utilisé un modèle informatique pour montrer que certains trous noirs supermassifs dans l'univers très précoce auraient pu se former en accumulant simplement une quantité gargantuesque de gaz dans un nuage lié par gravitation. Les chercheurs ont découvert que, dans quelques centaines de millions d'années, un nuage suffisamment grand pourrait s'effondrer sous sa propre masse et créer un petit trou noir - aucune supernova requise.
Ces objets théoriques sont connus sous le nom de trous noirs à effondrement direct (DCBH). Selon l'expert du trou noir Shantanu Basu, auteur principal de la nouvelle étude et astrophysicien à la Western University de London, en Ontario, l'une des caractéristiques déterminantes des DCBH est qu'elles doivent se former très, très rapidement en très peu de temps dans le premier univers.
"Les trous noirs se sont formés sur une durée d'environ 150 millions d'années seulement et se développent rapidement pendant cette période", a déclaré Basu à Live Science dans un e-mail. "Ceux qui se forment au début de la fenêtre de 150 millions d'années peuvent augmenter leur masse d'un facteur 10 000".
Comment un nuage de gaz devient-il un trou noir? Selon une étude de 2017, une telle transformation nécessite deux galaxies avec des personnalités très différentes: l'une d'entre elles un surperformant cosmique qui forme beaucoup de bébés étoiles et l'autre un tas discret de gaz sans étoiles.
Au fur et à mesure que de nouvelles étoiles se forment dans la galaxie occupée, elles libèrent un flux constant de rayonnement chaud qui se propage sur la galaxie voisine, empêchant le gaz de s'y fusionner en étoiles propres. En quelques centaines de millions d'années, ce nuage de gaz sans étoiles pourrait accumuler tellement de matière qu'il s'effondre simplement sous son propre poids, formant un trou noir sans jamais produire d'étoile, a découvert Basu.
Bientôt, ce trou noir de «graine» pourrait atteindre le statut supermassif en engloutissant rapidement la matière des nébuleuses voisines - donnant peut-être naissance aux quasars gargantuesques que nous pouvons voir aujourd'hui.
Selon Basu, cet acte de chorégraphie cosmique n'a peut-être été possible que pendant une brève fenêtre temporelle, au cours des 800 premiers millions d'années de la vie de l'univers, avant que l'espace ne devienne trop encombré d'étoiles et d'autres trous noirs pour que le processus se produise. Un milliard d'années après le Big Bang, il y avait peut-être déjà eu tellement de rayonnement de fond dans l'univers qu'un trou noir supermassif aurait du mal à trouver suffisamment de gaz pour aspirer et poursuivre sa croissance exponentielle.
"Nous ne supposons aucune nouvelle production de trous noirs après cette période de 150 millions d'années", a déclaré Basu. "Cela explique pourquoi il y a une forte baisse du nombre de trous noirs au-dessus d'une certaine masse et luminosité dans l'univers."
Bien que les DCBH restent théoriques pour l'instant, certains astronomes pensent que le télescope spatial Hubble a peut-être effectivement attrapé un tel objet en formation, en 2017. Selon les auteurs d'une étude de cette année sur le sujet, une étoile géante a simplement disparu devant la caméra de Hubble œil, disparaissant sans le flash révélateur d'une supernova. La meilleure explication, ont écrit les chercheurs, est que l'étoile massive s'est simplement effondrée dans un trou noir sans pompe ni feu d'artifice.
Au cours de l'enquête pluriannuelle qui a abouti à cette étude de 2017, six autres étoiles proches ont explosé dans le feu et la fureur, suggérant qu'environ 1 sur 7 (14%) de grandes étoiles se rejoignent en disparaissant simplement dans le vide.
