Comment les premiers trous noirs supermassifs de l'Univers se sont-ils formés? Un nouveau modèle de l'évolution des galaxies et des trous noirs montre que les collisions montrent que les galaxies en collision ont probablement engendré des trous noirs qui se sont formés il y a environ 13 milliards d'années. La découverte remplit un chapitre manquant de l'histoire ancienne de notre univers et pourrait aider à écrire le chapitre suivant - dans lequel les scientifiques comprennent mieux comment la gravité et la matière noire ont formé l'univers tel que nous le connaissons.
Suite à la récente découverte que les galaxies se sont formées beaucoup plus tôt dans l'histoire de l'Univers qu'on ne le pensait, Stelios Kazantzidis de l'Ohio State University et son équipe ont créé de nouvelles simulations informatiques qui montrent que les tout premiers trous noirs super massifs sont probablement nés lorsque ces premières galaxies sont entrées en collision et fusionné ensemble. Cela s'est probablement produit au cours des premiers milliards d'années après le Big Bang.
"Nos résultats ajoutent une nouvelle étape à la réalisation importante de la façon dont la structure se forme dans l'univers", a déclaré Kazantzidis.
Auparavant, les astronomes pensaient que les galaxies évoluaient hiérarchiquement, où la gravité rassemblait d'abord de petits morceaux de matière, et ces petits morceaux se réunissaient progressivement pour former de plus grandes structures.
Mais les nouveaux modèles renversent cette notion.
«Avec ces autres découvertes, notre résultat montre que de grandes structures - à la fois des galaxies et des trous noirs massifs - se forment rapidement dans l'histoire de l'univers», a-t-il déclaré. «Étonnamment, cela est contraire à la formation d'une structure hiérarchique. Le paradoxe est résolu une fois que l'on se rend compte que la matière noire croît de façon hiérarchique, mais pas la matière ordinaire. La matière normale qui constitue les galaxies visibles et les trous noirs super massifs s'effondre plus efficacement, et cela était également vrai lorsque l'univers était très jeune, donnant lieu à une formation anti-hiérarchique de galaxies et de trous noirs. »
Cela signifie donc que les grandes galaxies et les trous noirs super-massifs se rejoignent rapidement, et que des morceaux plus petits comme notre propre galaxie de la Voie lactée - et le trou noir relativement petit en son centre - se forment plus lentement. Les galaxies qui ont formé ces premiers trous noirs super massifs sont toujours là, a déclaré Kazantzidis.
Les nouvelles simulations effectuées sur des supercalculateurs ont permis de résoudre des caractéristiques 100 fois plus petites et ont révélé des détails au cœur des galaxies fusionnées à une échelle inférieure à une année-lumière.
Pour cette raison, les astronomes ont pu voir deux choses: Premièrement, le gaz et la poussière au centre des galaxies se sont condensés pour former un disque nucléaire étanche. Puis le disque est devenu instable, et le gaz et la poussière se sont à nouveau contractés, pour former un nuage encore plus dense qui a finalement engendré un trou noir super-massif.
Les implications pour la cosmologie sont d'une grande portée, a déclaré Kazantzidis.
"Par exemple, l'idée standard - que les propriétés d'une galaxie et la masse de son trou noir central sont liées parce que les deux grandissent en parallèle - devra être révisée. Dans notre modèle, le trou noir se développe beaucoup plus rapidement que la galaxie. Il se pourrait donc que le trou noir ne soit pas du tout régulé par la croissance de la galaxie. Il se pourrait que la galaxie soit régulée par la croissance du trou noir. »
Ce nouveau modèle pourrait également aider les astronomes qui recherchent dans le ciel des preuves directes de la théorie d'Einstein de la relativité générale: les ondes gravitationnelles.
Selon la relativité générale, toute fusion de galaxies anciennes aurait créé des ondes gravitationnelles massives - des ondulations dans le continuum espace-temps - dont les restes devraient encore être visibles aujourd'hui.
De nouveaux détecteurs d'ondes gravitationnelles, tels que l'antenne spatiale de l'interféromètre laser de la NASA, ont été conçus pour détecter ces ondes directement et ouvrir une nouvelle fenêtre sur les phénomènes astrophysiques et physiques qui ne peuvent pas être étudiés autrement.
Les scientifiques devront savoir comment les trous noirs super massifs se sont formés dans le premier univers et comment ils sont répartis dans l'espace aujourd'hui afin d'interpréter les résultats de ces expériences. Les nouvelles simulations informatiques devraient fournir un indice.
Voir ce lien pour des vidéos des modèles de collisions de galaxies.
Source: Ohio State University
