Pourquoi les trous noirs sont-ils énormes ?

Tout au bout de l’univers se trouvent des trous noirs qui ont des masses égales à des milliards de fois notre soleil. Ces corps géants, les quasars, se nourrissent de gaz interstellaire, dont ils avalent sans interruption d’immenses quantités. C’est ainsi qu’ils révèlent leur existence : lorsque la lumière émise par le gaz est engloutie et écrasée par la gravité du trou noir, elle circule pendant des « éternités » dans l’univers jusqu’à ce qu’elle apparaisse dans nos télescopes. Regarder les limites de l’univers signifie donc observer le passé. Ces quasars éloignés et anciens nous font penser à des photos de bébés prises moins d’un milliard d’années après le Big Bang : de gigantesques enfants dans un univers encore jeune.

Un trou noir se forme normalement lorsqu’une étoile massive, pesant des dizaines de masses solaires, explose après que son combustible nucléaire s’est éteint. Sans le fourneau nucléaire dans son cœur, poussant contre la gravité, l’étoile s’effondre : la plus grande partie de sa matière est projetée vers l’extérieur dans une énorme déflagration de supernova, tandis que le reste s’affaisse vers l’intérieur, formant un trou noir dont la masse n’est que de dix masses solaires environ.
Depuis que ces anciens quasars ont été découverts, les scientifiques se sont demandé quels processus pouvaient mener un petit trou noir à grossir et à se gaver à ce point là, si rapidement après le Big Bang.

En fait, différents processus ont tendance à limiter la vitesse à laquelle un trou noir peut se former. Par exemple, normalement le gaz ne tombe pas directement dans le trou noir, mais il est dérouté dans un flux lent en spirale, en s’écoulant goutte à goutte. Quand le gaz est finalement avalé par le trou noir, la lumière qu’il émet repousse le gaz. Cette lumière contrebalance la gravité, et ralentit l’écoulement qui nourrit le trou noir.

Alors, comment ces anciens quasars ont-ils grandi ? Le professeur Tal Alexander, chef du département de Physique des particules et d’astrophysique, suggère une solution dans un article écrit en commun avec la professeure Priyamvada Natarajan de l’université Yale, et récemment publié dans la revue Science.

 

Leur modèle commence avec la formation d’un petit trou noir dans l’histoire de l’univers. A cette époque, pensent les cosmologues, les courants de gaz étaient froids et denses, et contenaient des quantités de matière beaucoup plus grandes que les minces filets de gaz qu’on voit aujourd'hui dans le cosmos. Le nouveau trou noir, à peine né, affamé, se déplaçait, changeant de direction chaque fois qu’une autre étoile, elle aussi née depuis peu, le heurtait. En zigzagant rapidement, le trou noir ramassait sans interruption une quantité de gaz de plus en plus grande dans son orbite, l’attirant directement vers lui avec une rapidité telle que le gaz ne pouvait pas s’installer dans un mouvement lent en spirale. Plus le trou noir grandissait, plus vite il mangeait; ce rythme de croissance, selon le professeur Alexander, grandit plus qu’exponentiellement. Au bout de dix millions d’années environ (un clin d’œil en temps cosmique) le trou noir aurait pu remplir environ 10 000 masses solaires. Depuis lors, l’énorme taux de croissance a ralenti pour arriver à un rythme plus calme, mais la destinée future des trous noirs avait déjà été établie, pour l’amener à atteindre un milliard ou plus de masses solaires.

 

La recherche du professeur Alexander est financée par le European Research Council.