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La naissance mystérieuse des trous noirs à explosion directe : pourquoi ces trous noirs supermassifs choquent-ils les scientifiques astronomiques
Au début de l'histoire de l'univers, les scientifiques ont remarqué certains objets spéciaux. La façon dont ces objets sont nés a marqué une catégorie majeure dans l'évolution de la matière dans l'univers : les trous noirs à explosion directe (DCBH). Ces mystérieux trous noirs ont été créés il y a environ 100 à 250 millions d’années, une période connue sous le nom de redshift z entre 15 et 30 environ.
Le processus de formation des trous noirs à explosion directe est différent des trous noirs dans les théories traditionnelles. Ces trous noirs se forment par effondrement gravitationnel direct plutôt que par la mort des étoiles.
La formation d'un trou noir à explosion directe nécessite des conditions environnementales spécifiques. Les principales conditions comprennent : un gaz sans teneur métallique (contenant uniquement de l’hydrogène et de l’hélium), une irradiation de photons Lyman-Werner suffisamment élevée pour exciter les atomes d’hydrogène et un flux laser capable de détruire les molécules d’hydrogène. Ces conditions empêchent le gaz de se refroidir et de se fragmenter, permettant ainsi au nuage de gaz de subir un effondrement gravitationnel intact et d'atteindre des densités de matière extrêmement élevées.
Lorsque la densité de matière atteint environ 107 g/cm³, ces nuages de gaz subiront une instabilité relativiste ordinaire et se transformeront en trous noirs à explosion directe. Cela signifie qu’ils sont nés directement de nuages de gaz primordiaux, plutôt que de progéniteurs stellaires.
Selon une simulation informatique publiée en juillet 2022, les chercheurs ont découvert que dans des conditions rares, des flux d'accrétion forts et froids peuvent créer des trous noirs massifs sans rayonnement ultraviolet ni flux supersonique. Cette simulation montre que dans un environnement qui a atteint environ 40 millions de masses solaires, plusieurs supergéantes se sont finalement formées et transformées avec succès en trous noirs à explosion directe.
La rareté des explosions directes de trous noirs
Les trous noirs directement explosifs sont considérés comme des objets extrêmement rares dans l'univers à fort redshift. Les simulations cosmologiques actuelles montrent que le nombre de ces trous noirs au redshift 15 pourrait n'être qu'environ 1 par gigaparsec cube. Cette prédiction est fortement influencée par le flux minimum de photons Lyman-Werner, et dans certains des scénarios les plus optimistes, la densité des DCBH pourrait atteindre 107 cellules par gibeltoseconde cube.
La découverte des trous noirs à explosion directe
En 2016, une équipe de chercheurs dirigée par l'astrophysicien de l'Université Harvard Fabio Pacucci a utilisé les données du télescope spatial Hubble et de l'observatoire à rayons X Chandra pour identifier pour la première fois deux candidats à l'explosion directe de trous noirs. Ces candidats sont tous situés dans la région du redshift de z>6, et leurs caractéristiques spectrales dans le champ CANDELS GOODS-S sont cohérentes avec les prédictions.
Il est prévu que ces trous noirs qui explosent directement produisent un rayonnement infrarouge plus important que les autres sources à redshift élevé, et d'autres observations, en particulier avec le télescope spatial James Webb, seront essentielles pour confirmer la nature de ces sources.
Différences avec les autres trous noirs
Différent du processus de formation des trous noirs primordiaux, qui sont liés à l'effondrement direct de l'énergie et de la matière chargée, la formation des trous noirs à explosion directe résulte de l'effondrement de régions gazeuses inhabituellement denses et étendues. Il convient de noter que les trous noirs formés par des étoiles de troisième génération (c'est-à-dire les étoiles de la population III) n'appartiennent pas à la catégorie des trous noirs à explosion directe.
Résumé
La découverte des trous noirs à explosion directe élargit non seulement notre compréhension de la formation des trous noirs, mais révèle également les phénomènes complexes qui peuvent exister dans l'univers primitif. Ces objets mystérieux redéfinissent notre compréhension fondamentale de l’évolution de l’univers. Avec les progrès de la science et de la technologie, pourrons-nous découvrir davantage de secrets sur ces trous noirs à l’avenir ?
