Des astronomes ont mesuré l’environnement cosmique où se sont formés les premiers trous noirs supermassifs, révélant que ces graines ont pu naître dans des régions denses et riches en gaz il y a plus de 13,64 milliards d’années, selon des recherches publiées dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Les mystères de l’Univers jeune face à la croissance rapide des trous noirs
Lorsque le télescope spatial James Webb a pointé ses instruments vers l’Univers lointain, les scientifiques ont découvert une abondance inattendue de galaxies abritant ce qui semble être les graines de trous noirs supermassifs, moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Cette présence massive à un stade aussi précoce remet en question les modèles traditionnels, selon lesquels les trous noirs naissent de l’effondrement d’étoiles en fin de vie avant de fusionner lentement. Pour résoudre cette énigme, une équipe internationale de chercheurs s’est penchée sur un autre scénario : l’effondrement direct de gigantesques nuages de gaz froid au centre des galaxies primitives.
Ces travaux ont été dirigés par Alessandro Trinca, chercheur postdoctoral à l’Institut d’astronomie de l’Université d’Édimbourg et à l’Observatoire royal, avec la participation de scientifiques issus de plusieurs institutions de premier plan, notamment le Centre de recherche de Côme, l’INAF Osservatorio Astronomico di Roma, l’INAF Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio de Bologne, ainsi que l’Institute of Science and Technology Austria et l’Institut d’astrophysique.
Le rôle crucial des simulations et des fusions de matière noire
Pour comprendre ces environnements extrêmes, l’équipe a combiné des simulations à haute résolution de l’arbre de fusion de la matière noire avec un modèle semi-analytique de formation des trous noirs et de coévolution des galaxies. L’histoire de la croissance des halos a été simulée grâce à un logiciel cosmologique fondé sur le code GIZMO. En parallèle, les chercheurs ont examiné le comportement de la matière visible dans ces structures à l’aide de l’outil d’archéologie cosmique, un modèle semi-analytique permettant de tester divers scénarios d’évolution face aux observations.
Parallèlement à ces approches globales, des analyses complémentaires ont exploré comment l’intensité d’un rayonnement ultraviolet intermédiaire peut bloquer la formation de molécules d’hydrogène. Sans ce frein au refroidissement, le gaz continue de s’écouler massivement vers le centre des halos. Comme le rapporte un rapport spécialisé, des simulations détaillées portant sur 15 halos primordiaux montrent que les masses stellaires estimées peuvent alors atteindre environ 100 000 fois celle du Soleil, fournissant ainsi une source abondante de graines lourdes dans des environnements modérément irradiés.
Chronologie de l’effondrement direct et impact de l’enrichissement chimique
Les résultats de l’équipe principale indiquent que la formation de graines de trous noirs massifs par effondrement direct a pu débuter il y a environ 13,64 milliards d’années, soit moins de 500 millions d’années après le Big Bang. Ce phénomène s’est poursuivi jusqu’à environ 13,5 ou 13,4 milliards d’années avant notre ère. À cette date, l’enrichissement en métaux du milieu intergalactique — provoqué par les explosions en supernova des premières étoiles de population III — a inhibé les épisodes ultérieurs d’effondrement direct.
Cette chronologie renforce l’hypothèse des trous noirs par effondrement direct tout en offrant un cadre théorique pour les futures campagnes d’observation du télescope spatial James Webb. Les chercheurs notent que la détection future d’une large population de quasars compagnons confirmerait que la formation de trous noirs massifs se produit préférentiellement dans des environnements fortement groupés et surdensifiés.
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