Des trous noirs semblent trop massifs pour exister : une théorie tente d’expliquer leur formation

Un trou noir est un objet céleste très dense : aucune matière, aucune lumière ne peut s’échapper de son champ gravitationnel. Nous en savons déjà peu sur ces mastodontes spatiaux. Certains d’entre eux défient les lois de la physique, et on aurait même récemment découvert une nouvelle catégorie de trous noirs, plus petite et cachée. Face à autant de variables inconnues, le phénomène de fusion entre les trous noirs apparaît encore plus complexe. Des chercheurs viennent de publier, dans Physical Review Letters, ce 8 novembre 2019, un modèle qui pourrait expliquer le processus à l’œuvre durant ces fusions… autant que l’existence de certains trous noirs qui semblent trop grands pour exister.

Pour comprendre leur théorie, il est nécessaire de rappeler qu’il existe plusieurs catégories de trous noirs. Il y a d’abord ceux qui sont dits « supermassifs » et que les scientifiques soupçonnent d’être situés au centre de la plupart des galaxies. Parallèlement, on retrouve aussi des trous noirs stellaires. Ils sont le résultat de la mort d’une étoile. Si les fusions de trous noirs supermassifs sont peut-être possibles, les chercheurs s’intéressent ici aux fusions des trous noirs stellaires : jusqu’à maintenant, 10 fusions de ces derniers ont été répertoriées par des instruments.

Vue d'artiste d'un trou noir stellaire.

Source : Alain r

Les fusions massives se passeraient au centre des galaxies

Les ondes gravitationnelles de certains trous noirs mettent en évidence une masse et une vitesse de rotation qui semblent bien plus trop élevées pour qu’un objet aussi immense soit né de la mort d’une étoile. L’existence de ces objets-ci est étonnante et encore difficile à expliquer. Pour les chercheurs à l’origine de la dernière étude, qui ont procédé par simulations informatiques, ces improbables trous noirs sont en fait le résultat de multiples fusions passées de trous noirs stellaires.

Pour aller plus loin

Que se passerait-il si la Terre était aspirée par un trou noir ?

Le phénomène aurait lieu dans la région proche du centre des galaxies, dans leur noyau actif, c’est-à-dire au sein du disque d’accrétion qui entoure les trous noirs supermassifs. Dans ce disque, on retrouve différents types de matériaux : du gaz, de la poussière, des étoiles, mais également des trous noirs stellaires. Effectivement, lorsqu’ils s’approchent du disque d’accrétion, les trous noirs sont happés et s’y retrouvent piégés. Or, dans cette zone, les forces gravitationnelles font que les trous noirs vont avoir davantage tendance à se rapprocher et à fusionner.

D’après les simulations informatiques des chercheurs, il se pourrait bien que ces fusions spécifiques fonctionnent par une sorte d’avalement-agrandissement. Ils utilisent l’image de Pac-Man, lorsque le petit bonhomme jaune grandit toujours plus à chaque fois qu’il avale un autre bonhomme. En des termes plus scientifiques, les chercheurs évoquent une « fusion hiérarchique ». Deux trous noirs qui fusionnent génèrent un trou noir plus massif. Puis cette nouvelle génération de trous noirs massifs avale des trous noirs plus petits, ce qui crée encore une nouvelle génération de trous noirs encore plus massifs.

Un tel scénario pourrait produire des trous noirs plus grands que 50 masses solaires

La clé serait donc dans la région où sont situés ces trous noirs. Dans un environnement stellaire basique, de la matière s’échappe lors de la fusion de deux trous noirs, alors la masse finale du trou noir fusionné ne peut excéder 40 masses solaires. Dans le disque d’accrétion d’un trou noir supermassif, au centre des galaxies, les forces gravitationnelles font que la matière peut difficilement s’échapper et reste piégée dans la fusion des trous noirs. Résultat : des trous noirs toujours plus massifs se forgent de génération en génération.

Les simulations des chercheurs ont montré qu’un tel scénario pourrait produire des trous noirs plus grands que 50 masses solaires, voire jusqu’à 80 masses solaires. Ces données sont cohérentes avec les trous noirs détectés dont la masse paraissait improbable telle quelle. Cette nouvelle théorie astrophysique a donc le mérite de proposer un modèle expliquant à la fois une certaine catégorie de trous noirs et leur processus de fusion.