Trous noirs : deux grands mystères ont-ils été résolus par une même simulation ?
Une équipe vient de montrer que deux des plus grands mystères de l'astrophysique pouvaient s'expliquer ensemble. Les trous noirs supermassifs, dont la masse défie jusqu'à l'âge de l'Univers, pourraient être issus de fusions des trous noirs formés juste après le Big Bang.
Illustration de trous noirs de différentes masses. © Illustration générée sur Grok par Brice Haziza
Une simulation informatique menée par des astrophysiciens irlandais et néerlandais vient de donner un résultat très intéressant d'épineux problèmes cosmologiques. Voyons d'abord quels sont ces deux mystères et comment l'équipe y répond en se basant sur les résultats de leur simulation.
Le premier concerne la croissance des trous noirs supermassifs. Ceux-ci pèsent effectivement de quelques millions à plusieurs milliards de masses solaires. Or l'âge de l'Univers n'est pas suffisant pour expliquer comment, par fusion avec d'autres trous noirs issus d'étoiles, ils auraient atteint de telles masses si rapidement. Le problème est encore plus frappant lorsqu'on sait que le télescope spatial James-Webb a découvert un trou noir supermassif, baptisé CEERS 1019, “pesant” 9 millions de fois la masse du Soleil dans l'Univers âgé de seulement 570 millions d'années. L'équivalent du premier babillage d'un nourrisson…
Des trous noirs aussi minuscules que 1/100 000e de trombone ou grands comme 100 000 soleils
L'existence des trous noirs dits primordiaux est l'autre de ces mystères. La physique théorique permet en effet à des trous noirs de naître dans les premiers instants de l'Univers, post Big Bang, lorsqu'il était un plasma très chaud, sans que les étoiles existent encore. Sauf qu'aujourd'hui, on n'en trouve pas la trace. Ont-ils disparu par rayonnement Hawking ? On n'en sait rien. Dans cette récente étude, les chercheurs proposent que ces trous noirs primordiaux ont pu avoir une masse aussi minuscule que 1/100 000e de celle d'un trombone, ou grande comme 100 000 de notre Soleil.
Ce sont peut-être les plus profonds mystères astrophysiques qui viennent de trouver leur justification d'une façon assez élégante, vu que l'un expliquerait en partie l'autre. L'une de ces énigmes est celle de l'origine des trous noirs supermassifs qu'on trouve au centre des galaxies, alors que le second est de savoir si les trous noirs primordiaux, bien décrits par la physique théorique, existent vraiment ou pas.
Illustration de trous noirs primordiaux. © Nasa
L'idée que poursuivent plusieurs équipes de physiciens théoriciens et d'astrophysiciens est que les trous noirs nés des fluctuations même de l'Univers, juste après le Big Bang, auraient pu fusionner très rapidement et en très grand nombre pour donner les trous noirs géants des centres galactiques.
Si les trous noirs primordiaux étaient nombreux au centre des galaxies, alors…
Dans leur simulation, les trous noirs primordiaux (en vert) fusionnent rapidement pour donner un trou noir supermassif (image du bas). © Lewis R Prole et al, 2025 (arXiv)
Pour expliquer la présence observée de ces trous noirs supermassifs, il existe habituellement deux hypothèses : soit des étoiles colossales de première génération explosent en donnant des “graines” dites “légères” pour former ces immenses entités ; soit des nuages de gaz s'effondrent directement en trous noirs — ce sont les “graines” dites “lourdes”.
Or voici ce que dit John Regan : “Les trous noirs primordiaux devraient se former pendant les premières secondes après le Big Bang. S'ils existent, ils présentent certains avantages par rapport aux trous noirs astrophysiques. Ils peuvent en principe être plus massifs que ces derniers et plus facilement installés au centre des galaxies, là où ils peuvent se développer rapidement.”
La simulation de l'équipe d'astrophysiciens montre que si les trous noirs primordiaux sont en assez grand nombre, ou suffisamment massifs, et qu'ils s'enfoncent vers les régions centrales des galaxies, alors ils pourraient tout à faire être à l'origine des trous noirs supermassifs observés dans les premiers cent millions d'années de l'Univers. Si cette hypothèse s'avérait être la bonne, cela voudrait dire que nous avons au cœur de la Voie lactée un reliquat des premières secondes de l'Univers : le trou noir supermassif Sagittarius A*.
Capture par interférométrie du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée. © EHT Collaboration
Les chercheurs veulent maintenant renforcer leur simulation en y ajoutant des trous noirs astrophysiques pour voir comment ils fusionnent entre eux. Ils aimeraient aussi découvrir un témoin de cette époque cruciale : “Tout ce dont nous avons besoin maintenant, c'est d'une preuve tangible de l'existence d'un trou noir primordial à partir d'observations. Soit un trou noir de très faible masse dans l'univers actuel, soit un trou noir de masse très élevée dans l'univers primitif.”
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