Il y a un trou noir supermassif au centre de presque toutes les galaxies de l'Univers. Comment sont-ils arrivés là? Quelle est la relation entre ces trous noirs monstres et les galaxies qui les entourent?
Chaque fois que les astronomes regardent plus loin dans l'Univers, ils découvrent de nouveaux mystères. Ces mystères nécessitent de nouveaux outils et techniques pour comprendre. Ces mystères mènent à plus de mystères. Ce que je dis, c'est que c'est des tortues mystérieuses tout le long.
L'une des plus fascinantes est la découverte des quasars, la compréhension de ce qu'ils sont et la révélation d'un mystère encore plus profond, d'où viennent-ils?
Comme toujours, je prends de l'avance sur moi-même, alors d'abord, revenons en arrière et parlons de la découverte des quasars.
Dans les années 1950, les astronomes ont scanné le ciel à l'aide de radiotélescopes et ont trouvé une classe d'objets bizarres dans l'Univers lointain. Ils étaient très brillants et incroyablement loin; des centaines de millions, voire des milliards d'années-lumière. Les premiers ont été découverts dans le spectre radio, mais au fil du temps, les astronomes ont trouvé encore plus de flamboiement dans le spectre visible.
L'astronome Hong-Yee Chiu a inventé le terme «quasar», qui signifie objet quasi-stellaire. Ils étaient comme des étoiles, brillant d'une seule source ponctuelle, mais ce n'étaient clairement pas des étoiles, flamboyantes avec plus de rayonnement qu'une galaxie entière.
Au fil des décennies, les astronomes ont intrigué la nature des quasars, apprenant qu'ils étaient en réalité des trous noirs, alimentant et diffusant activement les radiations, visibles à des milliards d'années-lumière.
Mais ce n'étaient pas les trous noirs de masse stellaire, qui étaient connus pour être de la mort d'étoiles géantes. C'étaient des trous noirs supermassifs, avec des millions voire des milliards de fois la masse du Soleil.
Dès les années 1970, les astronomes considéraient la possibilité qu'il pourrait y avoir ces trous noirs supermassifs au cœur de nombreuses autres galaxies, même la Voie lactée.
En 1974, les astronomes ont découvert une source radio au centre de la Voie lactée émettant des radiations. Il était intitulé Sagittaire A *, avec un astérisque qui signifie «excitant», eh bien, dans la perspective des «atomes excités».
Cela correspondrait aux émissions d'un trou noir supermassif qui ne se nourrissait pas activement de matériau. Notre propre galaxie aurait pu être un quasar dans le passé ou dans le futur, mais en ce moment, le trou noir était principalement silencieux, à part ce rayonnement subtil.
Les astronomes devaient être certains, ils ont donc effectué une étude détaillée du centre même de la Voie lactée dans le spectre infrarouge, ce qui leur a permis de voir à travers le gaz et la poussière qui obscurcissent le noyau à la lumière visible.
Ils ont découvert un groupe d'étoiles en orbite autour d'une étoile A du Sagittaire, comme des comètes en orbite autour du Soleil. Seul un trou noir avec des millions de fois la masse du Soleil pourrait fournir le genre d'ancrage gravitationnel pour fouetter ces étoiles autour d'orbites aussi bizarres.
D'autres enquêtes ont révélé un trou noir supermassif au cœur de la galaxie d'Andromède, en fait, il semble que ces monstres soient au centre de presque toutes les galaxies de l'Univers.
Mais comment se sont-ils formés? D'où viennent-ils? Est-ce que la galaxie s'est formée en premier et a provoqué la formation du trou noir au milieu, ou est-ce que le trou noir s'est formé et a construit une galaxie autour d'eux?
Jusqu'à récemment, c'était encore l'un des grands mystères non résolus de l'astronomie. Cela dit, les astronomes ont fait de nombreuses recherches, en utilisant des observatoires de plus en plus sensibles, ont élaboré leurs théories, et maintenant ils rassemblent des preuves pour aider à aller au fond de ce mystère.
Les astronomes ont développé deux modèles pour la façon dont la structure à grande échelle de l'Univers s'est réunie: de haut en bas et de bas en haut.
Dans le modèle descendant, un superamas galactique entier s'est formé à la fois à partir d'un énorme nuage d'hydrogène primordial laissé par le Big Bang. La valeur d'un superamas d'étoiles.
Au fur et à mesure que le nuage se rapprochait, il a tourné, chassant des spirales plus petites et des galaxies naines. Ceux-ci auraient pu se combiner plus tard pour former la structure plus complexe que nous voyons aujourd'hui. Les trous noirs supermassifs se seraient formés comme les noyaux denses de ces galaxies lorsqu'ils se sont réunis.
Si vous voulez vous en sortir, pensez à la crèche stellaire qui a formé notre Soleil et à un tas d'autres étoiles. Imaginez un seul nuage de gaz et de poussière formant plusieurs systèmes d'étoiles à l'intérieur. Au fil du temps, les étoiles ont mûri et se sont éloignées les unes des autres.
C'est de haut en bas. Un grand événement qui mène à la structure que nous voyons aujourd'hui.
Dans le modèle ascendant, des poches de gaz et de poussière se sont rassemblées en masses de plus en plus grandes, formant éventuellement des galaxies naines, et même les amas et superamas que nous voyons aujourd'hui. Les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies sont issus de collisions et de fusions entre trous noirs sur des éons.
En fait, c'est en fait ainsi que les astronomes pensent que les planètes du système solaire se sont formées. Par des morceaux de poussière qui s'attirent en grains de plus en plus gros jusqu'à ce que les objets de la taille d'une planète se forment sur des millions d'années.
De bas en haut, de petites pièces se rejoignent.
Peu de temps après le Big Bang, l'Univers entier était incroyablement dense. Mais ce n'était pas la même densité partout. De minuscules fluctuations quantiques de densité au début ont évolué au cours de milliards d'années d'expansion dans les superamas galactiques que nous voyons aujourd'hui.
Je veux m'arrêter et laisser cela couler dans votre cerveau pendant une seconde. Il y avait des variations microscopiques de la densité dans l'Univers primitif. Et ces variations sont devenues les structures de centaines de millions d'années-lumière que nous voyons aujourd'hui.
Imaginez les deux forces en jeu lors de l'expansion de l'Univers. D'une part, vous avez la gravité mutuelle des particules qui se ressaisissent. Et d'autre part, vous avez l'expansion de l'Univers séparant les particules les unes des autres. La taille des galaxies, des amas et des superamas a été déterminée par le point d'équilibre de ces forces opposées.
Si de petits morceaux se réunissaient, vous obtiendriez cette formation ascendante. Si de gros morceaux se réunissaient, vous obtiendriez cette formation descendante.
Lorsque les astronomes regardent l'Univers à la plus grande échelle, ils observent des amas et des superamas à perte de vue, ce qui prend en charge le modèle descendant.
D'un autre côté, les observations montrent que les premières étoiles se sont formées quelques centaines de millions d'années seulement après le Big Bang, qui prend en charge de bas en haut.
La réponse est donc les deux?
Non, les observations les plus modernes donnent l'avantage aux processus ascendants.
La clé est que la gravité se déplace à la vitesse de la lumière, ce qui signifie que les interactions gravitationnelles entre les particules qui s'écartent les unes des autres devaient rattraper leur retard, allant à la vitesse de la lumière.
En d'autres termes, vous n'obtiendriez pas une valeur de superamas de matériel réuni, seulement une valeur de matière d'une étoile. Mais ces premières étoiles étaient faites d'hydrogène pur et d'hélium, et pourraient devenir beaucoup plus massives que les étoiles que nous avons aujourd'hui. Ils vivraient vite et mourraient dans des explosions de supernova, créant des trous noirs beaucoup plus massifs que nous n'en avons aujourd'hui.
Les premières protogalaxies se sont réunies, rassemblant ces premiers trous noirs monstres et les étoiles massives qui les entourent. Et puis, sur des millions et des milliards d'années, ces trous noirs ont fusionné encore et encore, accumulant des millions et même des milliards de fois la masse du Soleil. C'est ainsi que nous avons obtenu les galaxies modernes que nous voyons aujourd'hui.
Une observation récente vient étayer cette conclusion. Plus tôt cette année, les astronomes ont annoncé la découverte de trous noirs supermassifs au centre de galaxies relativement minuscules. Dans notre propre voie lactée, le trou noir supermassif représente 4,1 millions de fois la masse du Soleil, mais ne représente que 0,01% de la masse totale de la galaxie.
Mais les astronomes de l'Université de l'Utah ont trouvé deux galaxies ultra compactes avec des trous noirs de 4,4 millions et 5,8 millions de fois la masse du Soleil respectivement. Et pourtant, les trous noirs représentent 13 et 18 pour cent de la masse de leurs galaxies hôtes.
L'idée est que ces galaxies étaient autrefois normales, mais sont entrées en collision avec d'autres galaxies plus tôt dans l'histoire de l'Univers, ont été dépouillées de leurs étoiles puis crachées pour parcourir le cosmos.
Ils sont les victimes de ces premiers événements de fusion, preuve du carnage qui s'est produit dans l'Univers primitif lorsque les fusions ont eu lieu.
Nous parlons toujours des mystères non résolus de l'Univers, mais c'est celui que les astronomes commencent à cerner.
Il semble très probable que la structure de l'Univers que nous voyons aujourd'hui s'est formée de bas en haut. Les premières étoiles se sont réunies en protogalaxies, mourant en supernova pour former les premiers trous noirs. La structure de l'Univers que nous voyons aujourd'hui est le résultat final de milliards d'années de formation et de destruction. Avec les trous noirs supermassifs se réunissant au fil du temps.
Une fois que des télescopes comme James Webb se seront mis au travail, nous devrions être en mesure de voir ces pièces se rassembler, tout au bord de l'Univers observable.
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