Dans certaines des régions les plus peuplées de l’univers, les trous noirs peuvent déchirer des milliers d’étoiles et utiliser leurs restes pour prendre du poids. Cette découverte, faite avec l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA, pourrait aider à répondre à des questions clés sur une classe insaisissable de trous noirs.
Alors que les astronomes ont déjà trouvé de nombreux exemples de trous noirs déchirant des étoiles, peu de preuves ont été trouvées pour une destruction à une si grande échelle. Ce type de démolition stellaire pourrait expliquer comment les trous noirs de taille moyenne sont créés par la croissance incontrôlable d’un trou noir beaucoup plus petit.
Les astronomes ont fait des études détaillées de deux classes distinctes de trous noirs. La plus petite variété est celle des trous noirs de « masse stellaire » qui pèsent généralement 5 à 30 fois la masse du Soleil. À l’autre extrémité du spectre se trouvent les trous noirs supermassifs qui vivent au milieu de la plupart des grandes galaxies, pesant des millions, voire des milliards de masses solaires. Ces dernières années, il a également été prouvé qu’il existe une classe intermédiaire appelée trous noirs de « masse intermédiaire ».
La dernière étude, utilisant les données Chandra d’amas d’étoiles denses au centre de 108 galaxies, fournit des preuves sur l’endroit où ces trous noirs de taille moyenne pourraient se former et comment ils se développent.
« Lorsque les étoiles sont si proches les unes des autres comme elles le sont dans ces amas extrêmement denses, cela fournit un terreau viable pour les trous noirs de masse intermédiaire », a déclaré Vivienne Baldassare de l’Université de l’État de Washington à Pullman, Washington, qui a dirigé l’étude. « Et il semble que plus l’amas d’étoiles est dense, plus il est susceptible de contenir un trou noir en croissance. »
Crédit : Chandra X-ray Center
Les travaux théoriques de l’équipe impliquent que si la densité d’étoiles dans un amas – le nombre emballé dans un volume donné – est supérieure à une valeur seuil, un trou noir de masse stellaire au centre de l’amas subira une croissance rapide à mesure qu’il s’approche. , déchiquette et ingère les étoiles abondantes à proximité.
Parmi les amas de la nouvelle étude de Chandra, ceux dont la densité était supérieure à ce seuil étaient environ deux fois plus susceptibles de contenir un trou noir en croissance que ceux en dessous du seuil de densité. Le seuil de densité dépend également de la vitesse à laquelle les étoiles des amas se déplacent.
« C’est l’un des exemples les plus spectaculaires que nous ayons vus de la nature insatiable des trous noirs, car des milliers ou des dizaines de milliers d’étoiles peuvent être consommées au cours de leur croissance », a déclaré Nicholas C. Stone, co-auteur de l’hébreu Université de Jérusalem. « La croissance galopante ne commence à ralentir que lorsque l’offre d’étoiles commence à s’épuiser. »
D’autres façons dont les scientifiques ont envisagé la formation de trous noirs massifs au centre des galaxies incluent l’effondrement d’un gigantesque nuage de gaz et de poussière ou l’effondrement d’étoiles surdimensionnées directement dans un trou noir de taille moyenne. Ces deux idées nécessitent des conditions qui, selon les scientifiques, n’existaient que dans les premières centaines de millions d’années après le big bang.
Le processus suggéré par la dernière étude de Chandra peut se produire à tout moment de l’histoire de l’univers, ce qui implique que des trous noirs de masse intermédiaire peuvent se former des milliards d’années après le big bang, jusqu’à nos jours.
La croissance de trous noirs dans des amas d’étoiles denses pourrait également expliquer la détection d’ondes gravitationnelles par l’observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) de certains trous noirs dont la masse est comprise entre environ 50 et 100 fois celle du Soleil. De tels trous noirs ne sont pas prédits par la plupart des modèles d’effondrement d’étoiles massives.
« Notre travail ne prouve pas que la croissance incontrôlée des trous noirs se produit dans les amas d’étoiles », a déclaré Adi Foord, co-auteur de l’Université de Stanford à Palo Alto, en Californie. « Mais avec des observations de rayons X supplémentaires et une modélisation théorique supplémentaire, nous pourrions faire un cas encore plus fort. »
Un article décrivant ces résultats a été accepté en Le Journal Astrophysique.
Vivienne F. Baldassare et al, Formation massive de trous noirs dans des environnements stellaires denses : taux de détection de rayons X améliorés dans des amas d’étoiles nucléaires à dispersion à grande vitesse. arXiv:2203.02517 [astro-ph.HE] arxiv.org/abs/2203.02517