Une nouvelle étude prédit l’existence de masses plus grandes que les trous noirs supermassifs dans l’univers

Près du centre de la galaxie de la Voie lactée se trouve un objet massif que les astronomes appellent Sagittarius A*. Ce trou noir « supermassif » a peut-être grandi avec notre galaxie, et il n’est pas le seul. Les scientifiques pensent qu’une géante similaire se trouve au cœur de presque toutes les grandes galaxies de l’univers.

Certains d’entre eux peuvent devenir très gros, a déclaré Joseph Simon, chercheur postdoctoral au Département d’astrophysique et des sciences planétaires de l’Université du Colorado à Boulder.

« Le trou noir au centre de notre galaxie est des millions de fois plus massif que le Soleil, mais nous en voyons aussi d’autres que nous pensons avoir des milliards de fois la masse du Soleil », a-t-il déclaré.

L’astrophysicien a consacré sa carrière à l’étude du comportement de ces objets difficilement observables. Dans une étude récente, il a utilisé des simulations informatiques, ou « modèles », pour prédire les masses des plus grands trous noirs supermassifs de l’univers – un concept mathématique connu sous le nom de fonction de masse du trou noir.

En d’autres termes, Simon a cherché à déterminer ce que vous pourriez trouver si vous pouviez mettre chacun de ces trous noirs l’un après l’autre à une échelle gigantesque.

Ses calculs suggèrent qu’il y a des milliards d’années, les trous noirs étaient peut-être beaucoup plus grands en moyenne que ce que les scientifiques soupçonnaient auparavant. Les découvertes pourraient aider les chercheurs à résoudre un mystère plus vaste, en élucidant les forces qui ont façonné des objets comme le Sagittaire A* lorsqu’ils sont passés de minuscules trous noirs aux géants qu’ils sont aujourd’hui.

« Nous commençons à voir à partir d’une variété de sources différentes qu’il y avait très tôt des choses très massives dans l’univers », a déclaré Simon.

Il a publié ses conclusions le 30 mai dans Lettres du journal astrophysique.

Symphonie Galactique

Pour Simon, ces « choses très encombrantes » sont son pain et son beurre.

L’astrophysicien fait partie d’un deuxième effort de recherche appelé North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav). Avec le projet, Simon et des centaines d’autres scientifiques aux États-Unis et au Canada ont passé 15 ans à rechercher un phénomène connu sous le nom de «fond d’onde gravitationnelle». Le concept fait référence au flux constant d’ondes gravitationnelles, ou ondulations géantes dans l’espace et le temps, qui ondulent à travers l’univers sur une base presque constante.

Cet élan cosmique a également ses origines dans les trous noirs supermassifs. Simon a expliqué que si deux galaxies se heurtaient dans l’espace, les trous noirs centraux pourraient également entrer en collision et même fusionner. Ils tourbillonnent avant de s’écraser l’un contre l’autre comme deux cymbales dans un orchestre – seule cette cymbale génère des ondes gravitationnelles, déformant littéralement le tissu de l’univers.

Pour comprendre le contexte des ondes gravitationnelles, les scientifiques doivent d’abord connaître la masse réelle des trous noirs supermassifs dans l’univers. Des cymbales plus grosses créent une plus grande explosion et produisent beaucoup plus d’ondes gravitationnelles, a déclaré Simon.

Il n’y a qu’un seul problème.

« Nous avons déjà de bonnes mesures des masses des trous noirs supermassifs de notre galaxie et des galaxies voisines », a-t-il déclaré. « Nous n’avons pas les mêmes types de mesures pour les galaxies lointaines. Nous devons juste deviner. »

Les trous noirs se multiplient

Dans ses nouvelles recherches, Simon a décidé de deviner d’une manière complètement nouvelle.

Tout d’abord, il a recueilli des informations sur des centaines de milliers de galaxies, vieilles de quelques milliards d’années. (La lumière ne peut voyager qu’aussi vite, donc lorsque les humains observent des galaxies lointaines, ils regardent en arrière dans le temps.) Simon a utilisé ces informations pour calculer les masses approximatives des trous noirs pour les plus grandes galaxies de l’univers. Ensuite, il a utilisé des modèles informatiques pour simuler les ondes gravitationnelles de fond que ces galaxies créeraient et qui baignent actuellement la Terre.

Les découvertes de Simon révèlent la gamme complète des masses de trous noirs supermassifs dans l’univers datant de près de 4 milliards d’années. Il a également remarqué quelque chose d’étrange : il semblait y avoir beaucoup plus de grandes galaxies dispersées dans l’univers il y a des milliards d’années que certaines études précédentes ne l’avaient prédit. Cela n’avait aucun sens.

« On s’attendait à ce que vous ne voyiez ces systèmes vraiment massifs que dans l’univers proche », a déclaré Simon. « Il faut du temps pour que les trous noirs se développent. »

Cependant, ses recherches s’ajoutent à un nombre croissant de preuves qui suggèrent qu’ils n’ont peut-être pas besoin d’autant de temps que les astrophysiciens le croyaient autrefois. Par exemple, l’équipe NANOGrav a vu des signaux similaires de trous noirs géants cachés dans l’univers il y a des milliards d’années.

Pour l’instant, Simon espère explorer toute la gamme des trous noirs s’étendant encore plus loin dans le temps, révélant des indices sur la façon dont la Voie lactée, et éventuellement notre système solaire, a vu le jour.

« Comprendre les masses des trous noirs est essentiel pour certaines de ces questions fondamentales comme le fond des ondes gravitationnelles, mais aussi comment les galaxies se développent et comment notre univers a évolué », a déclaré Simon.