Les trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) représentent un puzzle cosmique, avec leur existence et leurs mécanismes de formation entourés de mystère.
Une étude récente dirigée par Manuel Arca Sedda, chercheur à l’Institut scientifique du Gran Sasso et publiée dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society journal (MNRAS), met en lumière les mécanismes qui conduisent à la formation de mystérieux trous noirs de masse intermédiaire (IMBH). Il s’agit d’objets dont la masse varie entre quelques centaines et dizaines de milliers de masses solaires, qui pourraient représenter le lien entre leurs plus petits parents, les trous noirs stellaires, et les géants supermassifs qui peuplent les centres des galaxies.
Le spectre des trous noirs
En effet, il existe différents types de trous noirs : bien qu’ils partagent des densités si élevées que même la lumière ne peut échapper à leur attraction gravitationnelle, la masse de ces corps célestes peut varier dans une très large mesure et discriminer leur mécanisme de formation. On peut identifier trois macro-catégories d’intérêt astronomique : stellaire, intermédiaire et supermassive.
Les premiers, comme leur nom l’indique, se forment lorsqu’une étoile de masse suffisamment importante (c’est-à-dire au moins vingt fois plus massive que notre soleil) épuise son carburant et succombe à la force de gravité en s’effondrant sur elle-même : ils représentent les étoiles les plus légères. Type de trou noiret nous avons une image théorique claire du processus menant à leur formation.
À l’extrême opposé se trouvent les immenses trous noirs supermassifs, dont la masse est des millions ou des milliards de fois supérieure à celle de notre étoile. On pense que chaque galaxie en héberge une en son centre et en 2019, grâce au télescope Event Horizon, il a été possible d’obtenir la première image directe de l’une d’entre elles.
Malgré cette formidable réussite, la formation et l’accrétion de ces objets représentent toujours un mystère fascinant pour l’astronomie moderne, principalement en raison de l’absence de preuve irréfutable soutenant l’existence même des trous noirs de masse intermédiaire. Et c’est précisément l’objet de l’étude d’Arca Sedda, la première de deux autres actuellement en cours de révision.
L’image représente un amas stellaire simulé tel que calculé dans les simulations Dragon-II. Les points orange et jaunes représentent des étoiles semblables au Soleil, tandis que les points bleus indiquent des étoiles dont la masse est de 20 à 300 fois celle du Soleil. Le grand objet blanc au centre représente une étoile d’une masse d’environ 350 masses solaires, qui va bientôt s’effondrer pour former un trou noir de masse intermédiaire. Crédit : © M. Arca Sedda (GSSI)
Les trous noirs insaisissables de masse intermédiaire
« Les trous noirs de masse intermédiaire sont difficiles à observer », explique le chercheur du GSSI, « les limites d’observation actuelles ne permettent pas de dire quoi que ce soit sur la population des IMBH avec des masses comprises entre 1 000 et 10 000 masses solaires, et ils représentent aussi un casse-tête pour scientifiques en termes de mécanismes possibles qui conduisent à leur formation.
L’un des objectifs de la recherche était justement d’essayer de comprendre comment se forment ces trous noirs. « Nous avons réalisé de nouveaux modèles informatiques capables de simuler la formation de ces objets mystérieux, et nous avons découvert que de tels IMBH peuvent se former dans des amas d’étoiles grâce à une combinaison complexe de trois facteurs : fusions entre étoiles beaucoup plus grandes que notre soleil, accrétion d’étoiles. matière sur des trous noirs stellaires et, enfin, des fusions entre trous noirs stellaires. Ce dernier est un processus qui aboutit à la possibilité de « voir » ces phénomènes grâce à la détection de ondes gravitationnelles», explique Arca Sedda.
L’étude émet également l’hypothèse de ce qui se passe après la naissance des trous noirs intermédiaires : ils sont éjectés de leurs propres amas par des interactions gravitationnelles complexes ou en raison d’un processus connu sous le nom de recul relativiste, empêchant ainsi leur croissance ultérieure.
Zoom avant sur un instantané pris à partir de l’une des simulations DRAGON-II, modélisant des amas d’étoiles denses comptant jusqu’à 1 million d’étoiles. Les points orange et jaunes représentent des étoiles semblables au Soleil, tandis que les points bleus indiquent des étoiles dont la masse est de 20 à 300 fois celle du Soleil. Le grand objet blanc au centre représente une étoile d’une masse d’environ 350 masses solaires, qui va bientôt s’effondrer pour former un trou noir de masse intermédiaire. Crédit : M. Arca Sedda (GSSI)
« Nos modèles montrent que même si les graines d’IMBH se forment naturellement à partir d’interactions stellaires énergétiques dans des amas d’étoiles, il est peu probable qu’elles deviennent plus lourdes que quelques centaines de masses solaires à moins que l’amas parent ne soit extrêmement dense ou massif », explique le chercheur du GSSI.
Cependant, un mystère scientifique important reste encore à résoudre : les trous noirs intermédiaires représentent-ils le lien entre les trous noirs stellaires et supermassifs ? C’est une question ouverte, mais l’étude laisse place à quelques spéculations.
« Nous avons besoin de deux ingrédients pour une meilleure clarification », explique Arca Sedda, « un ou plusieurs processus capables de former des trous noirs dans la gamme de masse des IMBH, et la possibilité de retenir ces IMBH dans l’environnement hôte. Notre étude impose des contraintes strictes sur le premier ingrédient, nous donnant un aperçu clair des processus susceptibles de contribuer à la formation des IMBH. Envisager à l’avenir des amas plus massifs contenant davantage de binaires (systèmes composés de deux étoiles en orbite l’une autour de l’autre) pourrait également être la clé pour obtenir le deuxième ingrédient. Mais cela nécessitera d’énormes efforts d’un point de vue technologique et informatique.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir La piste insaisissable des trous noirs intermédiaires.
Instituts impliqués : Institut scientifique du Gran Sasso, Università degli Studi di Padova, Astronomisches Rechen Institute (Zentrum fur Astronomie der Universitat Heidelberg), Max Planck Institut fur Astronomie (MPIA, Heidelberg), Max Planck Institute for Astrophysics (MPA, Garching), National Astronomical Observatoires et laboratoire clé d’astrophysique computationnelle (Académie chinoise des sciences, Pékin), Institut Kavli d’astronomie et d’astrophysique (Université de Pékin), Centre astronomique Nicolas Copernic (CAMK, Varsovie), Observatoire Konkoly (Université Eotvos, Budapest), Observatoire astronomique principal ( Académie nationale des sciences d’Ukraine, Kiev), INFN-Padoue, INAF-Padoue, INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte.
