Illustration du début de l'Univers. Crédit d'image: NASA. Cliquez pour agrandir.
Tout a commencé il y a longtemps alors que l'univers était très jeune. Les premières étoiles reproductrices massives ont gambadé dans leur jeunesse - filant et gambadant parmi les riches herbes vertes de matière vierge. Alors que leur temps alloué se jouait, les moteurs nucléaires bouillonnaient de vastes flots d'hydrogène chaud et d'hélium gazeux - enrichissant les milieux interstellaires. Au cours de cette phase, des amas d'étoiles supermassives se sont formés dans de petites poches près des noyaux galactiques naissants - chaque amas nage dans de petites régions de matière primordiale de mini-halo.
Achevant leur cycle, les premières étoiles nicheuses ont explosé, crachant des atomes lourds. Mais avant que trop de matière lourde ne s'accumule dans l'Univers, les premiers trous noirs se sont formés, se sont développés rapidement par assimilation mutuelle et ont accumulé suffisamment d'influence gravitationnelle pour attirer des gaz «Boucle d'or» de températures et de composition précises dans de grands disques d'accrétion larges. Cette phase de croissance supercritique a mûri rapidement les premiers trous noirs massifs (MBH) au statut de trou noir supermassif (SMBH). De là, les premiers quasars ont élu domicile dans les mini-halos fusionnés de nombreuses protogalaxies.
Cette image de la formation des premiers quasars est issue d'un article récent (publié le 2 juin 2005) intitulé «Croissance rapide des trous noirs à haut décalage vers le rouge» écrit par les cosmologistes de Cambridge UK Martin J. Rees et Marta Volonteri. Cette étude traite de la possibilité qu'une brève fenêtre de formation rapide de SMBH s'ouvre après le temps de la transparence universelle mais avant que les gaz dans les milieux interstellaires soient complètement réionisés par le rayonnement stellaire et ensemencés de métaux lourds par des supernovae. Le modèle Rees-Volonteri tente d'expliquer les faits provenant de l'ensemble de données Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Un milliard d'années après le Big Bang, de nombreux quasars hautement rayonnants s'étaient déjà formés. Chacun avec des SMBH ayant des masses dépassant 1 milliard de soleils. Celles-ci étaient nées de «trous noirs de semence» - des cendres gravitationnelles laissées après le premier cycle d'effondrement des supernovae parmi les premiers amas galactiques massifs. Un milliard d'années après le Big Bang, c'était presque terminé. Comment une masse aussi importante peut-elle se condenser si rapidement dans de si petites régions de l'espace?
Selon Volontari et Rees, "Faire pousser de telles graines jusqu'à 1 milliard de masses solaires nécessite une accrétion presque continue de gaz ..." Contre un taux d'accrétion aussi élevé, c'est le fait que le rayonnement de la matière tombant dans un trou noir compense généralement rapidement " gain de poids". La plupart des modèles de croissance de SMBH montrent qu'environ 30% de la masse tombant vers un trou noir intermédiaire (massif - pas supermassif) est convertie en rayonnement. L'effet est double: la matière qui autrement alimenterait le MBH est perdue sous l'effet du rayonnement, et la pression de rayonnement vers l'extérieur étouffe la marche de matière supplémentaire vers l'intérieur pour nourrir une croissance rapide.
La clé pour comprendre la formation rapide de SMBH réside dans la possibilité que les disques d’accrétion précoce autour des MBH ne soient pas aussi optiquement denses qu’aujourd’hui - mais «gras» avec une matière faiblement distribuée. Dans de telles conditions, le rayonnement a un libre parcours moyen plus large et peut s'échapper au-delà des disques sans entraver le mouvement de la matière vers l'intérieur. Le carburant qui anime l'ensemble du processus de croissance du SMBH est livré copieusement dans l'horizon des événements du trou noir. Pendant ce temps, la matière type présente à l'époque la plus ancienne était principalement l'hydrogène et l'hélium monatomiques - et non le type de disques d'accrétion riches en métaux lourds d'une époque ultérieure. Tout cela suggère que les premiers MBH ont grandi à la hâte, ce qui explique en fin de compte les nombreux quasars pleinement matures observés dans l'ensemble de données SDSS. Ces premiers MBH devaient avoir des rapports de conversion masse-énergie plus typiques des SMBH à maturité complète que les MBH d'aujourd'hui.
Volontari et Rees disent que des chercheurs antérieurs ont montré que les «quasars pleinement développés ont une efficacité de conversion masse-énergie d'environ 10%…». La paire avertit cependant que cette valeur de conversion masse-énergie provient d'études sur les quasars d'une période ultérieure dans Universal. l'expansion et que "rien n'est connu sur l'efficacité radiative des quasars prégalactiques dans l'Univers primitif." Pour cette raison, «l'image que nous avons de l'Univers à faible décalage vers le rouge peut ne pas s'appliquer plus tôt.» Il est clair que l'Univers primitif était plus densément rempli de matière, que la matière était à une température plus élevée et qu'il y avait un rapport plus élevé de non-métaux aux métaux. Tous ces facteurs indiquent que c'est presque la meilleure estimation de quiconque quant à l'efficacité de conversion masse-énergie des premiers MBH. Étant donné que nous devons maintenant expliquer pourquoi tant de SMBH existent parmi les premiers quasars, il est logique que Volontari et Rees utilisent ce qu'ils savent des disques d'accrétion d'aujourd'hui comme moyen d'expliquer en quoi ces disques peuvent avoir été différents dans le passé.
Et ce sont les premiers temps - avant que le rayonnement de nombreuses étoiles ne réionise les gaz dans les milieux inter-stellaires - qui offraient des conditions propices à la formation rapide de SMBH. De telles conditions pourraient bien avoir duré moins de 100 millions d'années et nécessiter un bon équilibre dans la température, la densité, la distribution et la composition de la matière dans l'Univers.
Pour obtenir l'image complète (telle que peinte dans le document), nous partons de l'idée que l'univers primitif était peuplé d'innombrables mini-halos composés de matière sombre et baryonique avec des amas d'étoiles très massifs mais extrêmement denses au milieu d'eux. En raison de la densité de ces amas - et de la massivité des étoiles qui les composent - les supernovae se sont rapidement développées pour engendrer de nombreux «trous noirs de semence». Ces semences BH ont fusionné en trous noirs massifs. Pendant ce temps, les forces gravitationnelles et les mouvements réels ont rapidement rapproché les différents mini-halos. Cela a créé des halos toujours plus massifs capables d'alimenter les MBH.
Dans l'Univers primitif, la matière entourant les MBH a pris la forme d'énormes sphéroïdes pauvres en métaux, d'hydrogène et d'hélium, d'une température moyenne de 8 000 degrés Kelvin. À des températures aussi élevées, les atomes restent ionisés. En raison de l'ionisation, il y avait peu d'électrons associés aux atomes pour agir comme pièges à photons. Les effets de la pression de radiation ont diminué au point où la matière est tombée plus facilement dans l'horizon des événements des trous noirs. Pendant ce temps, les électrons libres diffusent eux-mêmes la lumière. Une partie de cette lumière retransmet en fait vers le disque d'accrétion et une autre source de masse - sous forme d'énergie - alimente le système. Enfin, une pénurie de métaux lourds - tels que l'oxygène, le carbone et l'azote - signifie que les atomes monotomiques restent chauds. En effet, lorsque les températures chutent en dessous de 4 000 degrés K, les atomes se désionisent et redeviennent soumis à une pression de rayonnement réduisant le flux de matière fraîche tombant dans l'horizon des événements BH. Toutes ces propriétés purement physiques ont eu tendance à faire baisser les ratios d'efficacité massique-énergétique - permettant aux MBH de prendre du poids rapidement.
Pendant ce temps, alors que les mini-halos fusionnaient, la matière baryonique chaude se condensait en d’énormes disques «épais» - et non les minces anneaux observés autour des SMBH aujourd’hui. Cela est dû au fait que la matière halo elle-même entourait complètement les MBH à croissance rapide. Cette distribution sphéroïdale de matière a fourni une source constante de matière fraîche, chaude et vierge pour alimenter le disque d'accrétion sous divers angles. Des disques épais signifiaient de plus grandes quantités de matière à une densité optique inférieure. Une fois de plus, la matière a réussi à éviter d'être «à voile solaire» vers l'extérieur loin de la gueule imminente du MBH et les taux de conversion masse-énergie ont chuté.
Les deux facteurs - les disques graisseux et les atomes ionisés de faible masse - disent que pendant l'âge d'or d'un univers vert précoce, les MBH ont grandi rapidement. Dans un milliard d'années du Big Bang, ils s'étaient installés dans une maturité relativement silencieuse, convertissant efficacement la matière en lumière et projetant cette lumière à travers de vastes étendues de temps et d'espace dans un univers potentiellement en constante expansion.
Écrit par Jeff Barbour
