Astrophysique : Les Trous-Noirs Apparaissent-ils En Premier ?

 

 

Les trou-noirs super-massifs observés pour la première fois aux premiers temps de la formation des étoiles et des galaxies nous indiquent que les trous noirs se forment en premier puis engendrent plus tard le disque d’accrétion guidant la structuration des étoiles et des galaxies.

 

Pendant des décennies le physicien Nassim Haramein a énoncé une idée controversée en astrophysique – laquelle dit que toutes les structures, des particules élémentaires aux galaxies et même à l’univers lui-même sont le résultat des géométries infiniment courbées de l’espace-temps, généralement connues sous le nom de trous-noirs. Fondamentalement, cela veut dire que tout ce que l’on considère comme matériel, comme objet physique apparaît substantiel uniquement grâce à la géométrie toroïdae de l’espace-temps dans ces régions. Comme le déclaraient Charles Mesner et John Wheeler :

 

La théorie d’Haramein est contraire au modèle conventionnel des formation galactiques, stellaires et des trou-noirs. Consultez n’importe quelle source à ce propos et elle vous décrira invariablement comment les trous-noirs naissent d’étoiles massives (plus de 20 masses solaires).

 

Pour résumer, le modèle conventionnel stipule qu’une fois qu’une étoile atteint sa limite, qu’elle ne peut plus continuer ses réactions de fusions thermonucléaires – lesquelles s’arrêtent à l’élément fer même pour les plus massives – alors il n’y a plus suffisamment d’énergie radiante s’échappant de l’étoile pour contrebalancer les forces gravitationnelles internes de l’étoile. L’étoile amorce alors son effondrement gravitationnel formant un vestige stellaire sous forme de naine blanche, d’étoile à neutron ou de trou-noir.

 

Conséquemment, une autre crise est apparue en astrophysique dès lors qu’il est devenu clair que le modèle conventionnel ne pouvait pas expliquer d’où venaient les éléments plus lourds que le fer : il était accepté que les éléments plus lourds que le fer se formaient lors des explosions de supernova résultant de l’effondrement des noyaux d’étoiles massives, mais les calculs ont montré que ce scénario n’était pas viable. Curieusement, les trous-noirs (plus spécifiquement les trous-noirs primordiaux – ne résultant pas de de l’effondrement d’une étoile) se retrouvent impliqués dans la formation d’éléments plus lourd que le fer.

Revenons-en au processus final marquant la fin de notre étoile massive : une fois que la pression des radiations internes cessent dû à l’arrêt des réactions de fusions, l’étoile commence à s‘effondrer. Si l’étoile excède la limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (la limite de TOV), sa masse sera tellement grande que le noyau s’effondrera en une singularité, courbant infiniment l’espace-temps, créant alors un trou-noir alors que les couches externes de l’étoile se compriment dans une réaction de fusion thermonucléaire finale qui libère une énergie équivalente à plusieurs milliards d’étoiles d’un seul coup, que l’on appelle supernova.

 

La supernova émet une onde de choc de plasma et de poussières d’étoile. Ce mouvement pourrait alors déclencher des condensations gravitationnelles dans des nébuleuses, donnant naissance à plus d’étoiles, là où le noyau qui s’est effondré en une singularité est occulté derrière ce qui semble être une barrière de lumière connu sous le nom d’horizon des événements.

 

 

Or cette théorie comporte de nombreux problèmes, mais aucun d’entre eux n’a autant dérouté les astrophysiciens que la récente observation de trous-noirs super massifs présents aux confins de l’univers observable (Découverte d'un Ancien Trou-Noir Supermassif Remet en Question la Théorie Conventionnelle de la Formation des Etoiles et des Galaxies), qui sont parmi les plus anciennes structures de l’univers. C’est un problème, car si les trous-noirs sont formés à partir de l’effondrement d’étoiles, comment des trous-noirs super massifs ont pu être présents lors de la formation des premières étoiles ? D’après le modèle d’Haramein, la réponse est simple – les trous-noirs se sont formés en premier, durant l’ère primaire de l’univers lorsque les densités d’énergies étaient extrêmement importantes, et ont alors eu le rôle de centre de nucléation (créer une structure autour d’un noyau) guidant la formation des étoiles et des galaxies.

 

 

 

L’idée semble étonnate mais si on jette un œil aux modèles standards de la cosmologie, il est bien connu que juste après le fameux Big-Bang les densités d’énergies étaient si grandes que des trou-noirs seraient apparus en grandes quantités. De plus, les calculs nous montrent que la taille d’un trou-noir est déterminée par sa période d’apparition à partir du Big-Bang, c’est-à-dire que les trou-noirs plus petits qu’une masse stellaire auraient pu se former pendant les premiers instants de l’univers ; les trous-noirs primordiaux (TNP ou PBH en anglais). Donc, à 1 Planck seconde après le Big-Bang, soit environ 10-43secondes, des trous-noirs de la masse de Planck (10-5g) ont pu se former (voir Bernard Carr, Les Trou-Noirs Quantiques comme Lien Entre Microphysique et Macrophysique, 2017).

 

Haramein a utilisé ces trous-noirs de la taille de Planck, nommés Oscillateurs Sphériques de Planck (ou USP Unités Sphériques de Planck) dans sa publication « Gravité Quantique et Masse Holographique », pour calculer les masses exactes d’objets allant des particules élémentaires aux étoiles jusqu’aux trous-noirs astronomiques en utilisant des quantas d’espace-temps, découvrant ainsi une solutionde de gravité quantique à échelle invariante.

 

Une seconde après le Big-Bang, des TNP de centaines de masses solaires se formaient. Par conséquent, dans le laps de temps écoulé entre 1 Planck seconde et 1 seconde, une immense variété de trous-noirs de différentes masses se sont formés. Il est important de noter qu’il est communément admis que des trous-noirs de la taille d’un proton ou plus petits (~10-5g), s’évaporeraient quasi instantanément dû à la radiation de Hawking, cependant il y a une bonne raison de croire que la radiation de Hawking n’est pas un processus d’évaporation à proprement parlé, mais plutôt que les fluctuation de masse quantique autour de l’horizon des événements nourrissent les trous-noirs, préservant ainsi leur masse et même pouvant l’accroitre (voir Maroc Spaans, Sur la Contribution Quantique à la Croissance des Trous-Noirs, 2013).

 

Et même si la radiation de Hawking était considérée dans sa forme originale, laquelle stipule que le rythme d’évaporation est inversement proportionnel à la masse du trou-noir, des chercheurs comme Rovelli et Vidotto ont décrit comment des trous-noirs de la taille d’un proton apparaîtraient comme figés à cause de la dilatation du temps, et sembleraient stables en dehors de tout cadre de référence (n’incluant pas l’horizon des événements et de voyage à la vitesse de la lumière) pour des périodes plus longues que l’âge de l’univers actuel (voir notre article Les Etoiles de Planck: à la Recherche de la Gravité Quantique au-delà de l’Horizon des Evénements).

 

En considérant ces formations primitives une question se pose naturellement ; et si les protons étaient des Trous-Noirs Primordiaux ?

 

Mais aussi, est-ce que les trous-noirs super-massifs ont pû se former durant la courte période suivant le Big-Bang, et donc auraient été présents en même temps que la formation des premières étoiles (connues comme la population d’étoiles de type III) ?

Les cosmologistes donnent généralement une valeur ne dépassant pas une centaine de masses solaires pour la masse des Trous-Noirs Primordiaux, mais de récentes observations suggèrent que le modèle n’est pas tout à fait exact. Ces observations comprennent la détection de trous-noirs excédant les masses prédites par le modèle conventionnel de la formation des trous-noirs à partir de l’effondrement des étoiles, captés par l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à laser interférométrique (LIGO).

 

La masse de ces trous-noirs “anormaux” étaient supérieurs à la masse attendue de 10 à 20 masses solaires (ce qui a fait naître la possibilité que la soi-disante matière noire soit ces trous-noirs primordiaux). Une importante observation très récente qui remet le modèle actuel en question est l’observation de quasars aux confins de l’univers visible, l’un d’eux se trouvant à 13,04 milliards d’années lumières de la Terre (signifiant qu’il s’est formé avant les 690 millions d’années qui ont suivi le Big-Bang) et abritant un trou-noir proche d’1 milliard de masses solaires.

Une intéressante observation a été faite lorsque des collègues astronomes sont remontés aux ères les plus primitives de l’univers. Il y a des objets aux confins de l’univers observable – c’est-à-dire que nous recevons la lumière qu’ils ont émis il y a près de 13 milliards d’années.

DISTANCE ET TEMPS EN COSMOLOGIE

 

 

Depuis ces découvertes, les scientifiques ont réussi à comprendre plus ou moins la nature de ces énigmatiques procréateurs lumineux. De jeunes galaxies doivent leur extrême éclat à l’activité d’un trou-noir super-massif en leur centre, portant plus communément la dénomination de noyau galactique actif (NGA). Ce fait fut une importante trouvaille corroborant le modèle d’Haramein de formation des galaxies et des étoiles, car souvenez-vous que le concept clé est que les trous-noirs sont au centre de toutes les galaxies, où ils agissent à la manière de centre de nucléation engendrant les disques d’accrétion des galaxies. Ils déterminent le nombre d’étoile qui sera formé et exercent une influence considérable sur l’architecture du système galactique.

 

Une récente étude du SDSS (Sloan Digital Sky Survey) - un télescope optique chargé de répertorier les objets dans le ciel – a donc observé un Quasar étant déjà actif 690 millions d’années après le Big-Bang seulement. Il est estimé que pour qu’un quasar soit visible à une telle distance, la masse de son trou-noir super-massif central doit être de l’ordre d’1 000 000 000 de masses solaires !

 

Selon la théorie conventionnelle de formation et d’évolution des trous-noirs – à la suite de la mort d’une étoile – cela excède de loin la masse attendue de ce modèle. En effet le modèle classique a calculé que des trou-noirs ayant vu le jour à cette époque de l’évolution cosmique ne pouvaient excéder quelques centaines de masses solaires. Notez-bien le fait que la masse prédite provient de l’idée que les trou-noirs sont les vestiges des premières étoiles – connus comme les étoiles de population III – lesquelles furent formées suite au refroidissement des gaz primordiaux alors que l’univers n’avait que 200 millions d’années.

 

Le modèle cosmologique standard suggère que ces trous-noirs “anormaux” se seraient formés très proches les uns des autres et auraient fusionné créant des trous-noirs plus massifs de plusieurs milliers de masses solaires. Cependant, bien que plus massifs, ils sont encore loin d’être assez massif pour candidater aux valeurs des masses des trous-noirs stellaires des quasars que l’on peut scruter aujourd’hui.

Mais alors, comment ces mastodontes ont pu émerger si tôt ?

 

 

L’une des possibilités est que les premiers trous-noirs ont traversé des périodes d’inflation extraordinaires jusqu’ici jamais imaginées. La vitesse de nourrissage optimal d’un trou-noir s’appuie sur la limite d’Eddington, laquelle décrit la vitesse maximum d’inflation d’un objet lumineux. Dans le cadre de la limite d’Eddington, avec une vitesse de croissance exponentielle, un trou-noir de 10 masses solaires pourrait atteindre 1 milliard de masses solaires en 1 milliard d’années.

 

Si l’on souhaite maintenir que les trous-noirs proviennent des étoiles de population III, alors ils auraient dû se nourrir à une vitesse supérieure à la limite d’Eddington. Cela aurait toutefois été théoriquement possible dans un environnement riche en gaz denses, typiques de l’univers primordial.

 

Cependant, un tel événement ne pourrait qu’être éphémère – et pourrait également s’essouffler parce que les radiations générées lors des périodes de super-vitesse d’Eddington endigueraient en effet la croissance du trou-noir. Un tel scénario relève alors de l’improbable.

Un autre scénario a été proposé par l’astrophysicienne Priyamvada Natarajan et ses collègues disant que les premières « graines » de trous-noirs auraient pu se former sans mort antérieur d’une étoile. Natarajan et ses collègues suggèrent à la place qu’ils aient pu se former directement depuis des gaz, utiliant le terme de Trou-Noir à Effondrement Direct (DCHB en anglais pour Direct-Collapse Black-Holes). De tels objets auraient pû émerger en l’espace de quelques centaines de millions d’années après le Big-Bang avec des masses de 10 à 100 mille masses solaires

 

 

Les grands disques de gaz sont sensés se refroidir et se fragmenter donnant la possibilité à la formation d’étoiles et de galaxies. Alors que dans le modèle de Natarajan, ces larges agglomérats de gaz sont sensés s’effondrer en de denses concentrations de “matière” qui formeraient des trous-noirs de 10 000 à 1 millions de masses solaires. Elle conclut que cela pourrait avoir lieu si les processus de refroidissement normaux étaient altérés – c’est-à-dire si la formation moléculaire de l’hydrogène, qui aide le disque à se refroidir, était stoppée de façon à ce que le disque reste chaud. Le disque serait alors trop chaud pour former des étoiles mais serait dans le même temps dynamiquement instable résultant en une contraction jusqu’à son effondrement éventuel formant un trou-noir - un DCBH plus précisément (Direct Collapse Black Hole).

 

Ces graines de DCBH croîtront jusqu’à atteindre un point où leur masse sera supérieure à toutes les étoiles de leur galaxie parente. Pendant ce bref instant, la galaxie parente est appelée une galaxie à trou-noir obèse (GTNO - en anglais OBG Obese Black hole Galaxy). La masse des étoiles d’une galaxie est généralement 1000 fois plus grande que la masse du trou-noir central, donc une GTNO aurait une signature spectrale propre, dans les longueurs d’ondes infrarouges du spectre. Natarajan espère qu’avec le lancement du James Webb Telescope en 2019, elle puisse être capable de trouver des confirmations de cette signature spectrale propre et ainsi prouver l’existence des trou-noirs de type DCBH.

Comme mentionné, le modèle de Nassim Haramein des formations primaire des trous-noirs et de leur importance dans l’évolution et le développement des premières étoiles et des galaxies rencontre des confirmations l’étayant au fur et à mesure que des données empiriques sont récoltées indiquant que cette théorie est bien plus exacte que le modèle standard. Alors que les chercheurs travaillent à donner un sens aux nouvelles observations et à leurs contradictions avec le modèle standard, leurs nouveaux modèles se rapprochent de plus en plus sur la partie cosmologique du modèle de physique unifiée d’Haramein. C’est de bon augure, car l’évolution dans cette direction pourrait amener une grande partie de la communauté scientifique à s’intéresser à la théorie de physique unifiée de Nassim Haramein qui résout les problèmes de la matière noire, de la formation et de l’évolution des étoiles et des galaxies, de l’expansion de l’univers et d’autres thèmes irrésolus en cosmologie et en astrophysique.

 

 

Traduction proposée par Hugo Charles et Olivier Thomas de l’article original en anglais https://resonancescience.org/astrophysics-gets-turned-on-its-head-black-holes-come-first/

 

 

Mezcua J. Hlavacek-Larrondo J. R. Lucey M. T. Hogan A. C. Edge B. R. McNamara.

The most massive black holes on the Fundamental Plane of black hole accretion. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 474, Issue 1, 11 February 2018, Pages 1342–1360.

 

Fabio Pacucci, Priyamvada Natarajan, Marta Volonteri, Nico Cappelluti, C. Megan Urry. Conditions for Optimal Growth of Black Hole Seeds. The Astrophysical Journal Letters, Volume 850, Number 2, 1 December 2017.

 

Priyamvada Natarajan. The Puzzle of the First Black Holes. Scientific American, 1 February 2018.