Un grand nombre de trous noirs supermassifs errants se promènent dans l’Univers

Les trous noirs supermassifs ont tendance à se trouver, plus ou moins immobiles, au centre des galaxies.

Mais tous ces formidables objets cosmiques ne restent pas en place ; certains peuvent être déséquilibrés, se baladant autour des galaxies comme des nomades cosmiques.

Nous appelons ces trous noirs des “vagabonds”, et ils sont en grande partie théoriques, car ils sont difficiles (mais pas impossibles) à observer, et donc à quantifier. Mais une nouvelle série de simulations a permis à une équipe de scientifiques de déterminer le nombre et la localisation de ces vagabonds, ce qui pourrait nous aider à les identifier dans l’Univers.

Cela pourrait avoir des implications importantes pour notre compréhension de la formation et de la croissance des trous noirs supermassifs, des monstres dont la masse est de plusieurs millions ou milliards de fois celle de notre Soleil, un processus qui reste mystérieux.

Les cosmologistes pensent que les trous noirs supermassifs (TNSM) se trouvent au cœur de toutes les galaxies de l’Univers, ou du moins de la plupart d’entre elles. La masse de ces objets est en général à peu près proportionnelle à la masse du bulbe galactique central qui les entoure, ce qui suggère que l’évolution du trou noir et de sa galaxie est en quelque sorte liée.

Mais les voies de formation des trous noirs supermassifs ne sont pas claires. Nous savons que les trous noirs de masse stellaire se forment à partir de l’effondrement du cœur d’étoiles massives, mais ce mécanisme ne fonctionne pas pour les trous noirs dont la masse est supérieure à environ 55 fois celle du Soleil.

Les astronomes pensent que les TNSM se développent par l’accrétion d’étoiles, de gaz et de poussières, et par des fusions avec d’autres trous noirs (les très gros trous noirs situés dans les noyaux d’autres galaxies, lorsque ces galaxies entrent en collision).

Mais les échelles de temps cosmologiques sont très différentes des échelles de temps humaines, et le processus de collision entre deux galaxies peut prendre beaucoup de temps. Le processus de collision entre deux galaxies peut durer très longtemps, ce qui fait que la fenêtre potentielle pour la fusion est très large et que le processus peut être retardé ou même empêché entièrement, ce qui donne lieu à ces trous noirs “vagabonds”.

Une équipe d’astronomes dirigée par Angelo Ricarte, du Centre d’astrophysique de Harvard et du Smithsonian Center for Astrophysics, a utilisé les simulations cosmologiques Romulus pour estimer la fréquence à laquelle ce phénomène aurait dû se produire dans le passé, et le nombre de trous noirs qui erreraient encore aujourd’hui.

Ces simulations suivent de manière cohérente l’évolution orbitale de paires de trous noirs supermassifs, ce qui signifie qu’elles sont capables de prédire quels trous noirs sont susceptibles d’atteindre le centre de leur nouveau foyer galactique et combien de temps ce processus devrait prendre – et combien n’y parviendront jamais.

“Romulus prédit que de nombreuses binaires de trous noirs supermassifs se forment après plusieurs milliards d’années d’évolution orbitale, tandis que certains TNSM n’arriveront jamais au centre”, écrivent les chercheurs dans leur article.

“Par conséquent, on constate que les galaxies de masse de la Voie lactée de Romulus abritent en moyenne 12 trous noirs supermassifs, qui errent généralement dans le halo loin du centre galactique.”

L’équipe a découvert qu’au début de l’Univers, avant environ 2 milliards d’années après le Big Bang, les trous noirs supermassifs errants étaient à la fois plus nombreux et plus brillants que les trous noirs supermassifs des noyaux galactiques. Cela signifie qu’ils produiraient la plus grande partie de la lumière que nous nous attendons à voir briller de la matière autour des TNSM actifs, qui brille fortement en orbite et s’accrète sur le trou noir.

Ils restent proches de leur masse initiale – c’est-à-dire de la masse à laquelle ils se sont formés – et proviennent probablement de petites galaxies satellites qui orbitent autour de plus grandes.

Et certains vagabonds devraient encore être là aujourd’hui, selon les simulations. Dans l’Univers local, ils devraient en fait être assez nombreux à traîner dans les parages.

“Nous constatons que le nombre de trous noirs errants évolue de façon à peu près linéaire avec la masse du halo, de sorte que nous nous attendons à des milliers de trous noirs errants dans les halos d’amas de galaxies”, écrivent les chercheurs.

“Localement, ces vagabonds représentent environ 10 % du budget de masse des trous noirs locaux, une fois que les masses des graines sont prises en compte.”

Ces trous noirs ne sont pas nécessairement actifs, et seraient donc très difficiles à repérer. Dans un prochain article, l’équipe explorera en détail les moyens possibles d’observer ces vagabonds perdus.

Il ne nous restera plus qu’à trouver les trous noirs perdus de masse stellaire et de masse intermédiaire…

Cette recherche a été publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Lire aussi : C’est la première fois que des astronomes voient de la lumière provenant de l’autre côté d’un trou noir

Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche