📩 🤞🏾 👩🏾‍🌾 Demandez à Ethan n ° 15: les plus grands trous noirs de l'univers 🤵🏾 🏢 🚍

En descendant dans l'abîme, nous apprenons les trésors de la vie. Là où vous tombez, vous trouverez votre bijou.
- Joseph Campbell

Le lecteur demande:

En observant des quasars éloignés, nous voyons leurs trous noirs supermassifs pesant 10 ⁹ solaires. Comment parviennent-ils à atteindre cette taille en si peu de temps?

Ce problème est plus compliqué qu'il n'y paraît à première vue. Vous devez commencer par l'astrophysique.

Vous savez peut-être déjà que les étoiles sont de tailles et de couleurs différentes, avec une durée de vie et des masses différentes, et que toutes ces propriétés sont liées les unes aux autres. Plus l'étoile est grande, plus son noyau est grand, dans lequel, selon les principes de la fusion nucléaire, son combustible brûle. Cela signifie que les étoiles plus massives brûlent plus brillamment, à des températures plus élevées, elles ont un rayon plus grand et elles brûlent également plus rapidement.

Si une étoile, comme notre Soleil, peut mettre plus de dix milliards d'années à brûler tout son carburant dans le cœur, alors les étoiles peuvent être des dizaines, voire des centaines de fois plus massives que notre Soleil, et au lieu de milliards d'années, elles peuvent synthétiser tout l'hydrogène du cœur en hélium dans plusieurs millions, et dans certains cas, même plusieurs centaines de milliers d'années.

Qu'arrive-t-il au cœur lorsqu'il brûle son combustible? Il convient de noter que l'énergie libérée lors de ces réactions est la seule chose qui maintient le noyau contre l'énorme force gravitationnelle, qui travaille constamment à comprimer toute la matière de l'étoile au plus petit volume possible. Lorsque ces réactions de fusion s'arrêtent, le noyau rétrécit rapidement. La vitesse de compression est importante car si vous compressez la matière lentement, la température restera constante, mais elle augmentera l'entropie; et si vous le compressez rapidement, l'entropie sera constante et la température augmentera.

Dans le cas des étoiles massives, une augmentation de la température signifie que l'étoile peut commencer à synthétiser de plus en plus d'éléments lourds, à partir de l'hélium, en passant par le carbone, l'azote, l'oxygène, le néon, le magnésium, le silicium, le soufre, et enfin se rapprochant du fer, du nickel et cobalt. Notez que ces éléments se forment avec une augmentation du nombre nucléaire de 2, en raison du fait que l'hélium se combine avec les éléments existants. Et lorsque vous arrivez au fer, au nickel et au cobalt, les éléments les plus stables, alors une synthèse supplémentaire devient impossible, et le noyau explose vers l'extérieur, se transformant en une supernova de type 2.

Si cela ne se produit pas dans une étoile très massive, vous obtiendrez le noyau d'une étoile à neutrons. Et si vous prenez une étoile plus massive, avec un noyau plus lourd, elle ne résistera pas à la gravité et ne créera pas de trou noir à l'intérieur d'elle-même. Une étoile de 15 à 20 fois la taille du Soleil est susceptible de créer un trou noir au centre après sa mort. Et des étoiles plus massives créeront des trous noirs plus massifs. On peut imaginer un grand nombre d'étoiles assez massives, d'où naissent des trous noirs qui se trouvent dans un espace limité. Et puis ces trous noirs se combinent avec le temps, ou les deux trous noirs se combinent et dévorent la matière stellaire et interstellaire, ce qui, selon nos observations, se produit également.

Malheureusement, cela ne se produit pas si vite qu'il coïncide avec nos observations. Vous voyez, si une étoile devient trop massive, un trou noir n'apparaîtra pas à l'intérieur! Si nous observons des étoiles d'une masse de 130 solaires, alors l'intérieur des étoiles devient si chaud et elles contiennent tellement d'énergie que les particules de haute énergie qui y apparaissent peuvent former des paires matière-antimatière sous forme de positrons et d'électrons. À première vue, ce n'est pas grave, mais rappelez-vous ce qui se passe dans le cœur de ces étoiles: tout ce qui les empêche de s'effondrer, c'est la pression exercée de l'intérieur par une étude de la fusion nucléaire. Et lorsque des paires d'électrons et de positrons commencent à apparaître, elles sont exclues du rayonnement actuel, ce qui entraîne une diminution de la pression sur le noyau de l'intérieur.De telles choses commencent déjà avec des étoiles pesant 100 solaires, mais si vous atteignez une masse de 130 solaires, la pression diminue tellement que les étoiles commencent à s'effondrer - et très rapidement!

Le noyau se réchauffe et contient un grand nombre de positrons, qui s'annihilent avec la matière ordinaire et produisent un rayonnement gamma, qui réchauffe davantage le noyau. En fin de compte, vous obtenez quelque chose de si énergique qu'il déchire toute l'étoile en lambeaux d'une manière très brillante et magnifique. Il s'avère donc une supernova de paires instables. Cela détruit non seulement les couches externes de l'étoile, mais aussi le noyau lui-même, et après cette explosion, il ne reste absolument plus rien!

Même sans tenir compte des trous noirs suffisamment grands qui se sont rapidement formés dans notre univers, nous pouvons toujours obtenir des trous noirs supermassifs - comme celui au centre de notre galaxie. Selon les orbites des étoiles en orbite autour d'elle, sa masse est de plusieurs millions de masses solaires.

Mais de cette façon, il est impossible d'obtenir des trous noirs pesant des milliards de masses solaires, comme celui situé dans la galaxie assez éloignée Messier 87.

Ce que le lecteur demande, c'est des trous noirs supermassifs pesant environ plusieurs milliards de masses solaires. Et ils apparaissent avec un grand décalage vers le rouge, ce qui suggère qu'ils ont longtemps été très importants.

Vous pourriez penser que dès le début il y avait déjà de si énormes trous noirs dans l'Univers, mais cela ne correspond pas à ce que nous savons sur le jeune univers à partir de la puissance spectrale de la matière et du rayonnement cosmique de fond. Peu importe d'où viennent ces trous noirs supermassifs, il est peu probable qu'ils étaient ici depuis le tout début - mais maintenant, ils peuvent être trouvés même dans les très jeunes galaxies!

Donc, si les étoiles ordinaires ne peuvent pas produire de tels trous noirs et que l'Univers n'est pas né avec elles, alors d'où viennent-elles?

Il s'avère que les étoiles peuvent être encore plus massives que celles dont nous avons déjà parlé. Et lorsqu'ils atteignent d'énormes masses, un nouvel espoir apparaît. Revenons aux premières étoiles qui se sont formées dans l'Univers à partir de l'hydrogène préhistorique et de l'hélium - les gaz qui existaient alors, quelques millions d'années seulement après le Big Bang.

De nombreuses preuves indiquent qu'à cette époque, les étoiles se sont formées dans de grandes régions - pas comme les amas d'étoiles d'aujourd'hui dans notre galaxie contenant plusieurs centaines ou milliers d'étoiles. Ensuite, les grands amas contenaient des millions voire plus d'étoiles. Si nous regardons la région la plus proche et la plus grande de formation d'étoiles dans la nébuleuse de la tarentule, située dans le grand nuage magellanique, nous pouvons comprendre ce qui se passe.

Cette région de l'espace a 1000 années-lumière de diamètre. En son centre, il y a une immense zone où de nouvelles étoiles se forment - R136. Il contient de nouvelles étoiles, dont la masse totale est d'environ 450 000 masses solaires. Ce complexe est actif, de nouvelles étoiles massives s'y forment. Et au centre de la région centrale, vous pouvez découvrir quelque chose de vraiment unique: la plus massive de toutes les étoiles connues de l'univers!

La plus grande étoile de la région est 265 fois plus lourde que le soleil, et c'est un phénomène très remarquable. Rappelez-vous que j'ai parlé de paires instables de supernovae, et comment elles détruisent les étoiles qui sont plus lourdes que 130 masses solaires et ne laissent pas de trous noirs derrière. Cette formule fonctionne jusqu'à un certain moment - uniquement pour les étoiles dont la masse est supérieure à 130 solaires, mais inférieure à 250 solaires. Et si la masse augmente encore plus, nous recevrons un rayonnement gamma d'une force telle qu'une réaction photonucléaire se produira - lorsque les rayons gamma refroidiront l'intérieur de l'étoile, éliminant les noyaux lourds et les transformant en lumière.

Si une étoile a une masse de plus de 250 masses solaires, elle s'effondrera complètement dans un trou noir. Une étoile avec une masse de 260 masses solaires peut créer un trou noir avec une masse de 260 solaires. Une étoile de 1000 masses solaires créera un trou noir avec une masse de 1000 masses solaires. Et puisque nous pouvons créer des étoiles avec d'énormes masses dans notre coin isolé du cosmos, nous pouvons fabriquer ces objets à une époque où l'Univers était jeune. Et nous avons probablement fabriqué un assez grand nombre de ces objets - et pourtant ils seront toujours combinés.

Et s'il est possible de créer une zone où un trou noir massif de plusieurs milliers de masses solaires s'est formé juste quelques millions ou dizaines de millions d'années après le Big Bang, alors l'unification et l'accrétion rapides de ces régions où les étoiles se forment, suggèrent que ces premières de grands trous noirs s'uniraient de manière unique. Après un court laps de temps, ils formeraient des trous noirs de plus en plus grands au centre de ces régions, qui devinrent ensuite les premières galaxies géantes de l'Univers.

Cette croissance, qui se poursuit dans le temps, peut facilement nous conduire à de modestes estimations de trous noirs pesant plusieurs centaines de millions de soleils qu'une galaxie de la taille de la Voie lactée peut générer. Il est facile d'imaginer que des galaxies plus massives et des effets non linéaires peuvent augmenter les masses probables des trous noirs à des milliards de masses solaires sans aucun problème. Et bien que nous ne sachions pas avec certitude, mais pour autant que nous puissions en juger d'après nos connaissances, c'est ainsi que les trous noirs supermassifs apparaissent.

Demandez à Ethan n ° 15: les plus grands trous noirs de l'univers

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