Il y a un peu plus de 50 ans, pendant ce que certains appelle l'âge d'or du développement de la théorie des trous noirs, c'est-à-dire en gros pendant la période qui s'étend depuis la découverte en 1963 par Roy Kerr de sa solution décrivant un trou noir en rotation, jusqu'à la découverte par Stephen Hawking de l'évaporation des trous noirs en 1973, plusieurs observations avaient déjà conduit les astrophysiciens à postuler l'existence au cœur des grandes galaxies de trous noirs supermassifs.

Les observations faites avec le télescope Hubble puis le James-Webb, avec notamment celles des « Petits points rouges » (LRD pour Little Red Dots, en anglais), n'ont cessé de faire reculer dans le passé la date de l'existence de ces astres compacts pouvant contenir entre un million et plus d'une dizaine de milliards de masses solaires. À répétition, elles ont rendu les astrophysiciens perplexes quant à savoir comment de tels béhémoths ont pu se former si vite dans le cosmos observable.

Bien sûr, il était certain qu'ils pouvaient croître en accrétant d'importantes quantités de gaz ou par fusions successives à l'occasion des collisions de galaxies révélées par Hubble. Mais les taux de croissance fournis par les théories au sujet de ces processus étaient toujours plus ou moins problématiques et, de toute façon, il fallait postuler l'existence précoce de graines de trous noirs supermassifs. Là aussi, on butait sur une énigme.

Une croissance incroyablement rapide des trous noirs

Dans un communiqué du département de physique de l'Université du Missouri, l'astrophysicien John Regan et ses collègues - dont Daxal Mehta, doctorant au département de physique de l'Université du Missouri (MU) - font savoir qu'ils pensent avoir significativement avancé sur le chemin de la résolution de ces énigmes de la physique des trous noirs géants. Tous les détails sont dans un article publié, dont une version en accès libre se trouve sur arXiv.

Toujours est-il que dans le communiqué de la MU, Daxal Mehta explique : « Nous avons découvert que les conditions chaotiques qui régnaient dans l'Univers primordial ont poussé les premiers trous noirs, plus petits, à se transformer en trous noirs supermassifs, à la suite d'une frénésie alimentaire qui a englouti toute la matière environnante. Grâce à des simulations informatiques de pointe, nous avons révélé que la première génération de trous noirs - ceux nés quelques centaines de millions d'années seulement après le Big Bang - a connu une croissance incroyablement rapide, atteignant des masses des dizaines de milliers de fois supérieures à celle de notre Soleil. On pensait auparavant que ces minuscules trous noirs étaient trop petits pour devenir les trous noirs gigantesques observés au centre des premières galaxies. Ce que nous avons démontré ici, c'est que ces trous noirs primitifs, bien que petits, sont capables de croître à une vitesse spectaculaire, dans des conditions optimales. »

Au début étaient les étoiles supermassives

Pour comprendre de quoi il retourne, il faut commencer par savoir que le scénario aujourd'hui conforté par l'équipe de chercheurs est celui où tout commence par la naissance d'étoiles supermassives. Mentionnons, avant d'examiner ce point plus en détail, que pour d'autres tout commence avec des trous noirs primordiaux, c'est-à-dire des trous noirs formés par l'effondrement gravitationnel précoce, pendant le Big Bang, de régions où les fluctuations de densité de la matière étaient suffisantes pour produire directement des trous noirs de masses différentes, selon un large spectre dépendant de la physique à l'œuvre à ce moment-là.

Il est plus facile et moins coûteux en hypothèses de prédire l'existence précoce après le Big Bang d'étoiles supermassives contenant de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de masses solaires.

Elles sont nécessairement très instables à cause de la relativité générale d'Einstein, comme l'ont montré Chandrasekhar et Richard Feynman au début des années 1960, et doivent s'effondrer gravitationnellement en donnant des trous noirs géants qui pourraient être les germes des trous noirs supermassifs. De tels objets pourraient ensuite avaler massivement du gaz, notamment via les fameux courants froids.

L'existence de trous noirs géants de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de masses solaires provenant de l'effondrement des étoiles supermassives étant admise, restait tout de même à expliquer comment ils avaient pu croître si vite, au point d'être déjà encore bien plus massifs quelques centaines de millions d'années après le Big Bang seulement.

Une accrétion de type super-Eddington

Dans les travaux présentés aujourd'hui, les chercheurs montrent donc que le processus d'accrétion, dit de super-Eddington, devait opérer, mais qu'étant donné les conditions régnantes dans le jeune cosmos, ce type d'accrétion pouvait bel et bien résoudre l'énigme de la croissance rapide des trous noirs géants. C'est ce qu'ils ont constaté avec des simulations numériques tenant compte de ces conditions appelées SEEDZ.

Pour comprendre de quoi il retourne avec l'accrétion super-Eddington, commençons par expliquer que la chute de la matière sur un astre - en particulier lorsqu'il est compact, comme les trous noirs, les étoiles à neutrons et les naines blanches - est un mécanisme particulièrement efficace pour produire du rayonnement.

Dans le cas des deux premiers, l'énergie gravitationnelle libérée par l'accrétion d'une masse d'hydrogène donnée est plusieurs dizaines de fois plus importante que celle qui serait associée à sa conversion en hélium par fusion au cœur des étoiles. On sait depuis longtemps que l'accrétion de matière est un bon moyen pour expliquer l'existence de sources particulièrement lumineuses dans le domaine des rayons X. On peut d'ailleurs détecter des trous noirs de cette façon, lorsqu'ils sont en train d'avaler la matière provenant d'une étoile compagne dans un système binaire.

Les premiers travaux sur l'accrétion de gaz par un astre sont ceux de Hoyle et Littleton en 1939, puis de Hoyle et Bondi en 1944. Salpeter a étudié cette question dans le cas des trous noirs en 1964, mais il a fallu attendre 1969 pour qu'un premier modèle de disque d'accrétion soit construit autour d'un tel objet par Lynden-Bell. Novikov, Page et Thorne ont ensuite construit des modèles plus précis dans le cadre de la relativité générale en 1973-74.

En 1921, le grand astrophysicien Arthur Eddington a découvert qu'il existait une limite maximale à la luminosité d'une étoile de masse donnée. Cette limite porte aujourd'hui son nom. L'existence d'une telle loi n'est pas difficile à comprendre. Le rayonnement exerce une pression et si cette pression est suffisamment importante, elle peut contrecarrer l'effondrement gravitationnel de la matière. C'est précisément ce qui se passe avec les étoiles lorsqu'elles sont stables. Mais si le rayonnement est trop intense, il peut vaincre la force d'attraction et souffler l'étoile. On peut trouver une limite d'Eddington pour la luminosité d'un astre en train d'accréter de la matière. Cette limite est d'autant plus importante que la masse de l'objet accrétant est élevée.

La limite d'accrétion d'Eddington concerne initialement le cas où l'effondrement de la matière vers l'astre central est à symétrie sphérique. Lorsque l'accrétion suit un disque autour d'un trou noir et n'est donc plus la même selon les directions de l'espace, il peut se produire une accrétion supercritique générant une luminosité qualifiée de super-Eddington. La théorie de cette accrétion exotique a été établie dans les années 1980 par des chercheurs polonais et français, comme Abramowicz et Lasota.