La matière noire aurait pu contribuer à la formation de trous noirs supermassifs dans l’univers primitif

La formation d’un trou noir supermassif, comme celui qui se trouve au centre de notre galaxie, la Voie lactée, prend beaucoup de temps. En règle générale, la naissance d’un trou noir nécessite qu’une étoile géante ayant la masse d’au moins 50 de nos soleils se consume (un processus qui peut prendre un milliard d’années) et que son noyau s’effondre sur lui-même.

Malgré tout, avec seulement 10 masses solaires environ, le trou noir qui en résulte est bien loin du trou noir Sagittarius A* de 4 millions de masses solaires que l’on trouve dans notre galaxie, la Voie lactée, ou des trous noirs supermassifs d’un milliard de masses solaires que l’on trouve dans d’autres galaxies. De tels trous noirs gigantesques peuvent se former à partir de trous noirs plus petits par accrétion de gaz et d’étoiles, et par fusion avec d’autres trous noirs, ce qui prend des milliards d’années.

Pourquoi alors le télescope spatial James Webb a-t-il découvert des trous noirs supermassifs à l’aube des temps, des éons avant qu’ils n’aient pu se former ? Les astrophysiciens de l’UCLA ont une réponse aussi mystérieuse que les trous noirs eux-mêmes : la matière noire a empêché l’hydrogène de se refroidir suffisamment longtemps pour que la gravité le condense en nuages ​​suffisamment grands et denses pour se transformer en trous noirs au lieu d’étoiles. La découverte est la suivante : publié dans le journal Lettres d’examen physique.

« Il est surprenant de découvrir un trou noir supermassif d’un milliard de masses solaires alors que l’univers lui-même n’a qu’un demi-milliard d’années », a déclaré Alexander Kusenko, auteur principal de l’étude et professeur de physique et d’astronomie à l’UCLA. « C’est comme trouver une voiture moderne parmi des os de dinosaures et se demander qui a construit cette voiture à l’époque préhistorique. »

Certains astrophysiciens ont avancé l’hypothèse selon laquelle un grand nuage de gaz pourrait s’effondrer pour former directement un trou noir supermassif, en contournant la longue histoire de combustion, d’accrétion et de fusion des étoiles. Mais il y a un hic : la gravité va effectivement rassembler un grand nuage de gaz, mais pas en un seul grand nuage. Au lieu de cela, elle rassemble des sections de gaz dans de petits halos qui flottent les uns à côté des autres mais ne forment pas un trou noir.

La raison est que le nuage de gaz se refroidit trop vite. Tant que le gaz est chaud, sa pression peut contrecarrer la gravité. Cependant, si le gaz se refroidit, la pression diminue et la gravité peut s’imposer dans de nombreuses petites régions, qui s’effondrent en objets denses avant que la gravité n’ait une chance d’attirer l’ensemble du nuage dans un seul trou noir.

« La vitesse à laquelle le gaz refroidit dépend en grande partie de la quantité d’hydrogène moléculaire », explique Yifan Lu, premier auteur et doctorant. « Les atomes d’hydrogène liés entre eux dans une molécule dissipent de l’énergie lorsqu’ils rencontrent un atome d’hydrogène libre. Les molécules d’hydrogène deviennent des agents de refroidissement car elles absorbent l’énergie thermique et la rejettent. Les nuages ​​d’hydrogène dans l’univers primitif contenaient trop d’hydrogène moléculaire, et le gaz s’est refroidi rapidement et a formé de petits halos au lieu de grands nuages. »

Lu et le chercheur postdoctoral Zachary Picker ont écrit un code pour calculer tous les processus possibles de ce scénario et ont découvert qu’un rayonnement supplémentaire peut chauffer le gaz et dissocier les molécules d’hydrogène, modifiant ainsi la façon dont le gaz se refroidit.

« Si vous ajoutez des radiations dans une certaine gamme d’énergie, cela détruit l’hydrogène moléculaire et crée des conditions qui empêchent la fragmentation de grands nuages ​​», a déclaré Lu.

Mais d’où vient le rayonnement ?

Seule une infime partie de la matière présente dans l’univers est celle qui constitue notre corps, notre planète, les étoiles et tout ce que nous pouvons observer. La grande majorité de la matière, détectée par ses effets gravitationnels sur les objets stellaires et par la courbure des rayons lumineux provenant de sources lointaines, est constituée de nouvelles particules, que les scientifiques n’ont pas encore identifiées.

Les formes et les propriétés de la matière noire constituent donc un mystère qui reste à résoudre. Bien que nous ne sachions pas ce qu’est la matière noire, les théoriciens des particules ont longtemps spéculé qu’elle pourrait contenir des particules instables capables de se désintégrer en photons, les particules de lumière. L’inclusion de cette matière noire dans les simulations a fourni le rayonnement nécessaire au gaz pour rester dans un grand nuage pendant qu’il s’effondre dans un trou noir.

La matière noire pourrait être constituée de particules qui se désintègrent lentement, ou de plusieurs espèces de particules : certaines stables et d’autres qui se désintègrent plus tôt. Dans les deux cas, le produit de la désintégration pourrait être un rayonnement sous forme de photons, qui décomposent l’hydrogène moléculaire et empêchent les nuages ​​d’hydrogène de se refroidir trop rapidement. Même une désintégration très légère de la matière noire a produit suffisamment de rayonnement pour empêcher le refroidissement, formant de grands nuages ​​et, à terme, des trous noirs supermassifs.

« Cela pourrait expliquer pourquoi les trous noirs supermassifs sont découverts très tôt », a déclaré Picker. « Si vous êtes optimiste, vous pouvez également lire cela comme une preuve positive de l’existence d’un type de matière noire. Si ces trous noirs supermassifs se sont formés par l’effondrement d’un nuage de gaz, peut-être que le rayonnement supplémentaire requis devrait provenir de la physique inconnue du secteur sombre. »