Les chercheurs explorent les insaisissables trous noirs de masse intermédiaire, censés combler les trous noirs stellaires et supermassifs. Les simulations suggèrent des voies de formation dans des amas d’étoiles denses, mais leur rôle exact dans l’univers reste incertain. Crédit : Issues.fr.com
Des simulations informatiques montrent comment de mystérieux trous noirs de masse intermédiaire pourraient se former à l’intérieur d’amas stellaires.
Un consortium international d’astronomes, comprenant des membres du personnel de l’Institut Max Planck d’astronomie, a réussi à élucider les mécanismes complexes de formation des insaisissables trous noirs de masse intermédiaire. Ils pourraient représenter le lien entre leurs plus petits parents, les trous noirs stellaires, et les géants supermassifs qui peuplent les centres des galaxies. Cette réalisation découle du projet de simulation DRAGON-II dirigé par l’Institut scientifique du Gran Sasso. Les scientifiques impliqués dans cette étude ont calculé les interactions complexes des étoiles, des trous noirs stellaires et des processus physiques au sein d’amas stellaires denses, démontrant que des trous noirs pouvant atteindre quelques centaines de masses solaires peuvent émerger dans ces environnements.
Le berceau des trous noirs
La quête pour localiser et comprendre les origines des trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) reste une énigme permanente. S’ils existent, ils pourraient servir de lien entre deux extrêmes de trous noirs. Du côté des masses faibles, nous observons des trous noirs stellaires, vestiges d’explosions de supernova d’étoiles massives à la fin de leur vie. En revanche, on trouve des trous noirs au centre des galaxies, des millions voire des milliards de fois plus massifs que le Soleil. La formation et la croissance de ces objets représentent encore un mystère fascinant pour l’astronomie moderne, principalement en raison de l’absence de preuve irréfutable soutenant l’existence de tels trous noirs. Les astronomes s’attendent à les trouver dans des amas stellaires denses et peuplés.
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)
Le défi de l’observation des IMBH
« Les trous noirs de masse intermédiaire sont difficiles à observer », explique Manuel Arca Sedda du Gran Sasso Science Institute (GSSI) à L’Aquila, en Italie, et auteur principal de l’article de recherche sous-jacent publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical. Société. « Les limites d’observation actuelles ne permettent pas de dire quoi que ce soit sur la population des trous noirs de masse intermédiaire, avec des masses comprises entre 1 000 et 10 000 masses solaires, et elles représentent également un casse-tête pour les scientifiques quant aux mécanismes possibles qui conduisent à leur formation. »
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 une étoile de masse intermédiaire. trou noir. Crédit : M. Arca Sedda (GSSI)
Découverte par simulation
Pour surmonter cet inconvénient, une équipe internationale dirigée par Arca Sedda et comprenant Albrecht Kamlah de l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg, en Allemagne (MPIA), a entrepris une série innovante de simulations numériques à haute résolution d’amas stellaires, connue sous le nom de DRAGON- Base de données de cluster II. Dans cette entreprise, les astronomes ont découvert une voie potentielle pour la formation de trous noirs de masse intermédiaire au sein d’amas d’étoiles jeunes, densément peuplés et massifs.
Ces simulations révolutionnaires devaient calculer une séquence d’interactions complexes entre des étoiles simples et binaires normales, conduisant à des collisions et formant des étoiles de plus en plus massives qui finissent par évoluer en IMBH. À ce stade, ces trous noirs pourraient continuer à incorporer des étoiles massives et des trous noirs supplémentaires, conduisant à une croissance pouvant atteindre plusieurs centaines de masses solaires. Il s’avère qu’aucune voie ne mène à un trou noir de masse intermédiaire. Au lieu de cela, les astronomes découvrent une gamme complexe d’interactions et d’événements fusionnés.
Ce diagramme illustre un mécanisme transformant des étoiles d’amas massives (1-5) en un trou noir de masse intermédiaire (IMBH) en 6 millions d’années environ. La séquence commence avec trois étoiles normales, deux formant un binaire en orbite autour de l’autre (1a, 1b, 2). Après un certain temps, ce triplet stellaire subit un événement de fusion, ne laissant que deux étoiles (1a, 3), qui capturent à nouveau un amas massif (4). Enfin, deux étoiles fusionnent (1a, 3) pour produire une étoile dite très massive (VMS) présentant plus de 300 masses solaires. À ce stade, le VMS peut poursuivre sa croissance en puisant de la matière dans son compagnon (4). Le VMS est désormais suffisamment massif pour évoluer vers un IMBH. Il continue de croître en capturant des étoiles supplémentaires (5), conduisant finalement à un IMBH de 350 masses solaires. Crédit : © M. Arca Sedda et al. /MPIA
Simulation d’amas d’étoiles réalistes
Jusqu’à un million d’étoiles peuplaient les amas stellaires simulés, qui présentent une fraction d’étoiles binaires allant de 10 % à 30 %. « Les clusters simulés reflètent étroitement leurs homologues du monde réel observés dans le voie Lactéeles nuages de Magellan et diverses galaxies de notre univers local », souligne Kamlah.
En suivant le devenir ultérieur d’un trou noir de masse intermédiaire dans ces simulations, les astronomes ont identifié une période turbulente marquée par des interactions vigoureuses avec d’autres étoiles et des trous noirs stellaires, pouvant conduire à son expulsion rapide de son amas parental, généralement en quelques heures. cent millions d’années. Cette éjection limite efficacement la croissance ultérieure du trou arrière. Les modèles informatiques révèlent que même si les graines d’IMBH proviennent naturellement d’interactions stellaires énergétiques au sein d’amas d’étoiles, leur tendance à atteindre des masses supérieures à quelques centaines de masses solaires dépend de la densité ou de la massivité exceptionnelle de l’environnement.
Un casse-tête scientifique non résolu
Néanmoins, une énigme scientifique cruciale reste en suspens : les trous noirs de masse intermédiaire servent-ils de chaînon manquant entre leurs homologues stellaires plus petits et les trous noirs supermassifs colossaux ? Cette question reste sans réponse pour l’instant, mais l’étude ouvre la voie à des conjectures éclairées.
« Pour une meilleure clarification, nous avons besoin de deux ingrédients », explique Arca Sedda, « un ou plusieurs processus capables de former des trous noirs de masse intermédiaire et la possibilité de les maintenir dans l’environnement hôte ». L’étude impose des contraintes strictes sur le premier ingrédient, présentant un aperçu clair des processus pouvant contribuer à la formation des IMBH. Considérer des amas plus massifs contenant davantage d’étoiles binaires pourrait aider à obtenir le deuxième ingrédient à l’avenir, ce qui pose toutefois des exigences difficiles pour les simulations ultérieures.
Orientations futures de la recherche
Il est intéressant de noter que les amas d’étoiles formés au début de l’univers pourraient avoir les qualités nécessaires pour soutenir la croissance de l’IMBH. Les futures observations de ces anciens amas d’étoiles, par exemple, avec l’aide du télescope spatial James Webb (JWST) et le développement de nouveaux modèles théoriques, pourraient aider à démêler la relation entre les trous noirs de masse intermédiaire et les trous noirs supermassifs.
Le scientifique du MPIA impliqué dans cette recherche est Albrecht Kamlah (également Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg).
La publication sur les simulations DRAGON-II fait partie d’une série de trois articles (les deux autres étant en cours de révision), qui à leur tour font partie du projet de simulation à long terme DRAGON dirigé par Rainer Spurzem (Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum fur Astronomie der Universität Heidelberg et Institut Kavli d’astronomie et d’astrophysique, Université de Pékin ; Observatoires astronomiques nationaux, Académie chinoise des sciences, Pékin) et des équipes concentrées principalement en Allemagne, en Chine, en Pologne et en Italie. Ce projet vise à résoudre l’évolution dynamique des amas d’étoiles massifs à travers le temps cosmique en utilisant les méthodes les plus précises disponibles.
La réussite du projet nécessite le déploiement étendu de systèmes informatiques massivement parallèles accélérés par GPU, tels que le système de calcul haute performance (HPC) Raven et le système JUWELS-Booster du Jülich Supercomputing Center (JSC). Les simulations du projet DRAGON-II présentées dans les publications ont toutes été réalisées sur le JUWELS-Booster. L’utilisation intensive des ressources informatiques de Raven, disponibles au Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF), a également fait partie intégrante de l’évaluation et de l’analyse comparative rigoureuses des simulations d’un million de corps présentées tout au long de la série, tout en fournissant un environnement de test pour bon nombre des simulations nécessaires. mises à jour des codes.
