Qu'est-ce qui a nourri les premiers trous noirs permettant leur croissance très rapide? Une nouvelle découverte faite par des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon à l'aide d'une combinaison de simulations de superordinateurs et de la technologie GigaPan Time Machine montre qu'un régime de «fast food» cosmique (flux minces de gaz froid) coulait de façon incontrôlable au centre des premiers trous noirs, provoquant qu'ils soient «surdimensionnés» et grandissent plus vite que toute autre chose dans l'Univers.
Lorsque notre Univers était jeune, moins d'un milliard d'années après le Big Bang, les galaxies commençaient à peine à se former et à se développer. Selon les théories antérieures, les trous noirs à cette époque auraient dû être tout aussi petits. Les données du Sloan Digital Sky Survey ont montré la preuve du contraire - des trous noirs supermassifs existaient dès 700 millions d'années après le Big Bang.
«Le Sloan Digital Sky Survey a découvert des trous noirs supermassifs à moins d'un milliard d'années. Ils étaient de la même taille que les trous noirs les plus massifs d'aujourd'hui, qui ont 13,6 milliards d'années », a déclaré Tiziana Di Matteo, professeure agrégée de physique (Université Carnegie Mellon). «C'était un puzzle. Pourquoi certains trous noirs se forment-ils si tôt alors qu'il faut tout l'âge de l'Univers pour que d'autres atteignent la même masse? »
Les trous noirs supermassifs sont les plus grands trous noirs qui existent - pesant des masses des milliards de fois celles du Soleil. La plupart des trous noirs «normaux» ne sont environ 30 fois plus massifs que le Soleil. Le mécanisme actuellement accepté pour la formation de trous noirs supermassifs passe par des fusions galactiques. Un problème avec cette théorie et comment elle s’applique aux premiers trous noirs supermassifs est qu’au début de l’univers, il n’y avait pas beaucoup de galaxies et qu’elles étaient trop éloignées les unes des autres pour fusionner.
Rupert Croft, professeur agrégé de physique (Université Carnegie Mellon) a fait remarquer: «Si vous écrivez les équations de la formation des galaxies et des trous noirs, il ne semble pas possible que ces énormes masses puissent se former aussi tôt, mais nous regardons vers le ciel et ils sont là."
Dans un effort pour comprendre les processus qui ont formé les premiers trous noirs supermassifs, Di Matteo, Croft et Khandai ont créé MassiveBlack - la plus grande simulation cosmologique à ce jour. Le but de MassiveBlack est de simuler avec précision le premier milliard d'années de notre univers. Décrivant MassiveBlack, Di Matteo a fait remarquer: «Cette simulation est vraiment gigantesque. C'est le plus grand en termes de niveau de physique et de volume réel. Nous l'avons fait parce que nous voulions regarder des choses rares dans l'univers, comme les premiers trous noirs. Parce qu'ils sont si rares, vous devez rechercher sur un grand volume d'espace ».
Croft et l'équipe ont commencé les simulations en utilisant des modèles connus de cosmologie basés sur les théories et les lois de la physique moderne. "Nous n'avons rien mis de fou. Il n'y a pas de physique magique, pas de trucs supplémentaires. C'est la même physique qui forme les galaxies dans les simulations de l'univers ultérieur », a déclaré Croft. «Mais comme par magie, ces premiers quasars, comme cela avait été observé, apparaissent. Nous ne savions pas qu'ils allaient se présenter. C'était incroyable de mesurer leurs masses et de faire «Wow! Ce sont la bonne taille exacte et apparaissent exactement au bon moment. "C'est une réussite pour la théorie moderne de la cosmologie."
Les données de MassiveBlack ont été ajoutées au projet GigaPan Time Machine. En combinant les données MassiveBlack avec le projet GigaPan Time Machine, les chercheurs ont pu voir la simulation comme s'il s'agissait d'un film - se déplaçant facilement dans l'univers simulé au fur et à mesure de sa formation. Lorsque l'équipe a remarqué des événements qui semblaient intéressants, ils ont également pu zoomer pour voir les événements plus en détail que ce qu'ils pouvaient voir dans notre propre univers avec des télescopes terrestres ou spatiaux.
Lorsque l'équipe a zoomé sur la création des premiers trous noirs supermassifs, elle a vu quelque chose d'inattendu. Les observations normales montrent que lorsque le gaz froid s'écoule vers un trou noir, il est chauffé par les collisions avec d'autres molécules de gaz à proximité, puis se refroidit avant d'entrer dans le trou noir. Connu sous le nom de «chauffage par choc», le processus aurait dû empêcher les premiers trous noirs d'atteindre les masses observées. Au lieu de cela, l’équipe a observé de minces flux de gaz froids et denses coulant le long des «filaments» observés dans des études à grande échelle qui révèlent la structure de notre univers. Les filaments ont permis au gaz de s'écouler directement au centre des trous noirs à une vitesse incroyable, leur fournissant une nourriture froide et rapide. La consommation régulière, mais non contrôlée, a fourni un mécanisme permettant aux trous noirs de se développer à un rythme beaucoup plus rapide que leurs galaxies hôtes.
Les résultats seront publiés dans le Astrophysical Journal Letters.
Si vous souhaitez en savoir plus, consultez les articles ci-dessous (via Physics arXiv):
Imagerie terapixel de simulations cosmologiques
La formation de galaxies hébergeant z ~ 6 quasars
Premiers trous noirs dans les simulations cosmologiques
Les flux froids et les premiers quasars
En savoir plus sur Gigapan et MassiveBlack sur: http://gigapan.org/gigapans/76215/ et http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Source: Communiqué de presse de l'Université Carnegie Mellon
