Une équipe d’astrophysiciens vient de produire des simulations cosmologiques complètes (rayonnement+hydrodynamique) qui reproduisent de manière auto-cohérente la naissance et la croissance initiale des trous noirs supermassifs dans un environnement de proto-amas de galaxies. Et elles montrent également l'émergence de signatures observables de ces trous noirs supermassifs qui sont totalement cohérentes avec les mystérieux LRD (Little Red Dots ). Il s'agit de la première démonstration unifiant les Little Red Dots à une phase brève et enveloppée de formation de germes massifs, qui évoluent naturellement en progéniteurs des trous noirs supermassifs actuels. L’étude est publiée dans Nature.
On sait que les trous noirs supermassifs existent moins d'un milliard d'années après le Big Bang, mais leur formation et leur croissance restent encore mal comprises. De récentes observations du télescope Webb ont révélé des sources compactes et rouges à z > 4–6, les « petits points rouges » (LRD), dont les masses de trous noirs déduites dépassent les relations d'échelle locales. Leurs spectres indiquent une croissance rapide des trous noirs dans des environnements denses et obscurcis lors de la formation des premières galaxies, ce qui est cohérent avec les prédictions théoriques récentes. Cependant, les mécanismes proposés, tels que les trous noirs à effondrement direct ou les restes d’étoiles de Population III , reposent sur des conditions idéalisées et n'ont pas été reproduits de manière cohérente dans les simulations cosmologiques jusqu’à aujourd’hui.
Sunmyon Chon (Institut Max-Planck d'astrophysique, Garching) et ses collaborateurs ont développé de nouvelles simulations cosmologiques reproduisant l’évolution des premières galaxies en combinant les effets hydrodynamiques et le rayonnement. Ce qu’ils ont alors observés dans les résultats de leurs simulations c’est que des germes de trous noirs massifs se forment naturellement dans des régions de proto-amas surdenses qui sont exposées à un rayonnement ultraviolet lointain intense (FUV).
L'effondrement d'étoiles supermassives à partir de ces germes produit des trous noirs de l’ordre de 10⁶ M⊙ qui subissent une brève croissance super-Eddington. De plus, ces systèmes reproduisent les caractéristiques de Balmer et le continuum rouge qui sont observés dans les LRD.
La croissance rapide de ces graines de trous noirs supermassifs se produit dans des régions de proto-amas surdenses exposées à un rayonnement FUV intense provenant de galaxies proches en phase de formation d'étoiles, où ce rayonnement inhibe la formation stellaire précoce. Chon et ses collaborateurs suivent dans leurs simulations l’effondrement d'un halo d’hydrogène à l'aide de simulations tridimensionnelles réalisées avec le code à maillage mobile AREPO. Ce halo identifié comme un site prometteur pour la formation de germes massifs, est situé à environ 10 kpc d'une galaxie voisine lumineuse qui fournit le flux FUV intense nécessaire à la formation de ces germes.
Du fait de l’intense flux UV, le halo de gaz est échauffé et ne se fragmente pas pour former une multitude d’étoiles, au contraire, il accumule un important réservoir de gaz, avant finalement de s'effondrer gravitationnellement à z ≃ 14. La simulation montre qu’une fois l'effondrement amorcé, la protoétoile centrale croit rapidement, atteignant une masse de 500 000 à 900 000 M⊙, bien supérieure à la valeur canonique d'environ 100 000 M⊙ prédite par les modèles d'effondrement direct standard. Le puits de potentiel exceptionnellement profond du halo hôte permet au gaz ionisé de rester lié gravitationnellement et de maintenir les taux d'accrétion élevés nécessaires à la formation de germes aussi massifs.
Ces germes massifs ne restent ensuite pas statiques. Chaque germe subit ensuite une brève mais intense phase d'accrétion super-Eddington. Immédiatement après l'effondrement, une enveloppe dense et optiquement épaisse se forme autour du trou noir naissant, alimentant efficacement le disque d'accrétion. Le piégeage du rayonnement devient crucial : les photons sont advectés vers l'intérieur plus rapidement qu'ils ne peuvent diffuser vers l'extérieur, permettant des taux d'accrétion de plusieurs à quelques dizaines de fois la limite d'Eddington pendant moins d'un million d'années. Le gaz entrant provient du disque circumstellaire du trou noir, à l'intérieur duquel il perd du moment cinétique sous l'effet des couples gravitationnels. Ceci maintient une croissance rapide jusqu'à épuisement du réservoir, lorsque le trou noir atteint une masse de plusieurs millions de masses solaires peu après leur formation. Le taux d'accrétion diminue ensuite progressivement jusqu'à 0,1 à 1 fois la limite d'Eddington à mesure que l'approvisionnement en gaz diminue, ce qui permet au trou noir de croître jusqu'à plus de 10 millions de M⊙ à un décalage vers le rouge z ≃ 10. A partir de cette époque, la simulation montre que le taux d'accrétion chute brutalement à moins de 1 % de la limite d'Eddington.
Lorsque le trou noir traverse la région centrale du halo massif voisin, son enveloppe gazeuse est arrachée par le milieu chaud environnant. Le frottement dynamique l’amène ensuite au centre de la galaxie, où il fusionne avec le trou noir supermassif déjà présent s’il y en a déjà un. À un décalage vers le rouge z ≃ 8, le trou noir s’est stabilisé dans le kiloparsec central d'une galaxie dont la masse stellaire est d'environ 1 milliard M⊙, établissant un rapport masse de trou noir/masse stellaire d'environ 1 %, soit un ordre de grandeur supérieur à la relation locale. Après sa stabilisation, le trou noir reprend une accrétion inférieure à la limite d'Eddington, maintenant une croissance lente mais régulière.
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Ces résultats fournissent ainsi un mécanisme unifié reliant la naissance des germes massifs, leurs phases de croissance de courte durée et les trous noirs supermassifs naissants découverts par le télescope Webb sous la forme de LRD, offrant ainsi une explication cosmologique à leur abondance et à leurs propriétés.
Le calcul de Chon et ses collaborateurs ne couvre qu'une partie des régions entourant les halos massifs, ce qui leur fait dire que le taux réel de formation de ces germes massifs pourrait être encore plus élevé que celui qu’ils ont estimé. Pris ensemble, ces résultats suggèrent que l'Univers primitif abritait de nombreux trous noirs à croissance rapide qui ont profondément influencé l'assemblage des premières galaxies massives.
Source
Des trous noirs surmassifs et des LRD se forment naturellement dans les simulations
Sunmyon Chon et al.
Nature 657 , 621–625 (16 septembre 2026).
https://doi.org/10.1038/
Illustrations
1. Exemple de résultats de simulation montrant l'apparition de graines de trous noirs supermassifs (Chon et al.)
2. Sunmyon Chon
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