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Une merveille astronomique cachée : comment l’effondrement direct d’un trou noir dévoile-t-il le mystère de la formation d’un trou noir supermassif ?
Les trous noirs à effondrement direct (DCBH) sont un type de prototype de trou noir de grande masse qui se forme à partir de l'effondrement direct de grandes quantités de matière. On suppose que ces trous noirs se sont formés dans la plage de décalage vers le rouge z = 15–30, lorsque l’univers avait environ 100 à 250 millions d’années. Contrairement aux progéniteurs de trous noirs formés par des étoiles de première génération (également appelées étoiles de type III), les graines de trous noirs à effondrement direct se forment par le biais d'instabilités relativistes générales directes. Lorsque ces trous noirs se forment, ils ont généralement une masse d’environ 10^5 M☉.
Ce type de prototype de trou noir a été proposé à l'origine pour relever le défi de l'observation de trous noirs supermassifs à un décalage vers le rouge z~7, ce qui a été confirmé par de nombreuses observations.
Mécanisme de formation
On pense que les trous noirs à effondrement direct (DCBH) sont les prototypes des trous noirs géants formés dans l'univers à décalage vers le rouge élevé, avec des masses d'environ 10^5 M☉ lors de leur formation, mais pouvant aller de 10^4 M☉ à 10^6 M☉. Les conditions environnementales pour la formation du DCBH sont les suivantes :
- Pas de gaz métalliques (uniquement de l'hydrogène et de l'hélium).
- Les atomes refroidissent le gaz.
- Le flux de photons Lyman-Wierth est suffisamment important pour perturber les molécules d’hydrogène, ce qui rend le refroidissement du gaz moins efficace.
Le respect des conditions ci-dessus peut empêcher le refroidissement du gaz et ainsi empêcher la fragmentation du nuage de gaz d’origine. Les nuages de gaz qui ne parviennent pas à se fragmenter et à former des étoiles subissent un effondrement gravitationnel global et atteignent des densités de matière extrêmement élevées dans leur noyau, environ 10^7 g/cm3. À de telles densités, l'objet subirait des instabilités relativistes générales, formant finalement un trou noir d'une masse d'environ 10^5 M☉, voire jusqu'à 1 million de M☉. L’apparition de cette instabilité, ainsi que l’absence d’un stade stellaire intermédiaire, conduit à qualifier ce type de trou noir de trou noir à effondrement direct.
Statistiques quantitatives
On pense que les trous noirs à effondrement direct sont extrêmement rares dans l’univers à décalage vers le rouge élevé, car il est assez difficile de réunir simultanément les trois conditions de base de leur formation. Les simulations cosmologiques actuelles suggèrent que la densité numérique des DCBH au décalage vers le rouge 15 pourrait n'être que d'environ 1 par gigapascal cube. Dans le cas le plus optimiste, basé sur le flux de photons Lyman-Wierth minimum requis pour la formation, la densité numérique pourrait atteindre environ 10^7 DCBH par gigapascal cube.
Progression de la détection
En 2016, une équipe dirigée par l'astrophysicien Fabio Pacucci de l'Université de Harvard a utilisé les données du télescope spatial Hubble et de l'observatoire à rayons X Chandra pour identifier les deux premiers candidats trous noirs à effondrement direct. Les deux candidats ont des décalages vers le rouge supérieurs à 6 et ont des propriétés spectrales cohérentes avec celles prédites pour de telles sources. En particulier, on prévoit que ces sources auront un excès significatif d’émission infrarouge à des décalages vers le rouge plus élevés.
À l’avenir, d’autres observations, notamment à l’aide du télescope spatial James Webb, seront cruciales pour étudier les propriétés de ces sources et confirmer leur nature.
Différences avec les autres types de trous noirs
Les trous noirs primordiaux sont ceux formés par l'effondrement direct de matière énergétique ou ionisée pendant des périodes d'expansion ou des périodes dominées par le rayonnement, tandis que les trous noirs à effondrement direct sont le résultat de l'effondrement de régions gazeuses inhabituellement denses et grandes. Il convient de noter que les trous noirs formés par l’effondrement d’étoiles de type III ne sont pas considérés comme des effondrements « directs ».
Dans le processus d’exploration des mystères de l’univers, l’importance de l’effondrement direct des trous noirs a été progressivement reconnue, et les recherches futures pourraient révéler davantage d’indices sur le mystère de la formation des trous noirs supermassifs. Dans cet univers mystérieux, combien de trous noirs inconnus attendent d’être découverts par les humains ?
