mercredi 28 septembre 2016

Existe-t-il une masse maximale pour les trous noirs supermassifs ? Il semble que oui.


Les trous noirs supermassifs ont-ils une limite en terme de masse ? C'est la question que posent deux astrophysiciens de Columbia University et ils y apporte une réponse positive. La masse maximale serait comprise entre 10 et 60 milliards de masses solaires.



La masse des trous noirs supermassifs connus s'étale entre environ 100 000 masses solaires et 21 milliards de masses solaires. Les trous noirs supermassifs se sont formés très tôt dans l'Univers encore jeune. Les plus vieux d'entre eux, que l'on peut voir près de nous, existent donc depuis près de 13 milliards d'années. Il est tentant de se dire que si ces monstres ont toujours eu à portée d'horizon de quoi se "nourrir" depuis tout ce temps, ils auraient dû grossir considérablement. Or dans l'Univers proche, comme dans l'Univers jeune d'ailleurs, on n'a jamais observé de trou noir supermassif plus gros qu'une vingtaine de milliards de masses solaires. Pour rappel, Sgr A*, le trou noir supermassif de notre galaxie, fait 4,2 millions de masses solaires (seulement).
Kohei Inayoshi et Zoltan Haiman proposent dans leur étude, publiée dans the Astrophysical Journal, qu'il existe effectivement une masse limite, qui serait gouvernée non pas pas les caractéristiques à grande échelle comme la taille et l'histoire de la galaxie hôte ou son taux de formation d'étoiles global ou des paramètres cosmologiques, mais au contraire par des processus physiques à petite échelle, qui se déroulent tout près du trou noir supermassif. 
En effet, grossir jusqu'à des masses supérieures à 10 milliards de masses solaires nécessite que de grandes quantités de gaz soient transportées depuis des régions éloignées du centre de la galaxie (de l'ordre de quelques centaines d'années-lumière) pour venir rejoindre le disque d'accrétion autour du trou noir supermassif à environ 1 année-lumière du monstre noir. Ce transport de gaz doit atteindre un taux de 1000 masses solaires par an pour atteindre le niveau de la dizaine de milliards de masses solaires.
En modélisant ce processus, nos deux astronomes démontrent qu'avec de tels vitesses de transport, la majorité du gaz se retrouve comme coincé sur le disque d'accrétion, ce qui provoque immédiatement une condensation en étoiles à une distance de l'ordre de quelques dizaines d'années-lumière, et qui ne parviennent jamais assez près du trou noir pour être capturées. Une petite partie du gaz parvient tout de même à rejoindre le disque d'accrétion et finir par être absorbé par le trou noir supermassif, mais elle n'est pas suffisante pour faire grossir le trou à plus de 100 milliards de masses solaires sur la durée de l'âge de l'Univers.
De plus, les chercheurs montrent que pour un trou noir supermassif suffisamment gros, l'apport de gaz résiduel devient si faible que la physique de l'accrétion change : le disque interne gonfle et peut produire des jets de matière. Lorsque cette transition apparaît, l'apport de masse du trou est purement et simplement arrêté, il ne grossit plus.
Inayoshi et Haiman calculent que la masse critique correspondant à cette transition est comprise entre 10 et 60 milliards de masses solaires, ce qui est tout à fait cohérent avec la masse du plus gros trou noir connu à ce jour.

Les auteurs n'évoquent pas l'éventuelle fusion de trous noirs supermassifs qui permet de les faire, au mieux, doubler de masse en une fraction de seconde (en négligeant la perte de masse qui part en ondes gravitationnelles). Il faudrait 4 fusions successives à partir de trous noirs similaires de 10 milliards de masses solaire pour atteindre 100 milliards de masses solaires. Un phénomène sans doute finalement assez rare, la plupart des fusions devant avoir lieu entre des trous noirs très asymétriques en masse.

Source :

Is there a maximum mass for black holes in galactic nuclei ?
Kohei Inayoshi and Zoltán Haiman 
The Astrophysical Journal, Volume 828, Number 2 (12 september 2016)


Illustration :

Vue d'artiste d'un trou noir supermassif entouré de son disque d'accrétion (NASA/JPL/Caltech)