août 9, 2022

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Un mystère de longue date sur les premiers trous noirs supermassifs peut enfin être résolu

Au cours des dernières années, alors que nous avons pu regarder de plus en plus profondément dans l’univers primitif, les astronomes ont découvert quelque chose de très déroutant.

Avant que l’univers n’ait un milliard d’années, il était gigantesque trous noirs Jusqu’à un milliard de fois la masse du Soleil s’est déjà formée d’une manière ou d’une autre. Compte tenu de ce que nous savons sur la formation et la croissance des trous noirs, expliquer l’existence et la taille de cette supergéante est assez difficile. Comment sont-ils arrivés là, si peu de temps après le Big Bang? Et comment sont-ils devenus si pendus ?

Maintenant, des simulations de superordinateurs ont révélé une origine qui explique comment ils se sont formés sans avoir besoin de conditions exotiques : de rares réservoirs de gaz froid et turbulent qui se sont effondrés en étoiles plus massives que tout ce qui se trouve dans l’univers aujourd’hui. Celles-ci auraient pu être des graines massives qui se seraient transformées en trous noirs supermassifs.

« Nous avons trouvé des trous noirs supermassifs au centre de la plupart des galaxies massives aujourd’hui, qui peuvent avoir une masse de millions ou de milliards de fois la masse du Soleil. Mais en 2003, nous avons commencé à trouver des quasars – des trous noirs qui sont très brillants et s’accumulent activement. comme des trous noirs supermassifs qui ressemblent à des balises cosmiques dans l’univers primitif – existaient moins d’un milliard d’années après le Big Bang », Le cosmologue Daniel Wallen a déclaré : de l’Université de Portsmouth au Royaume-Uni.

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« Personne n’a compris comment ils se sont formés à une époque aussi reculée. Cette découverte est particulièrement excitante car elle a bouleversé 20 ans de réflexion sur l’origine des premiers trous noirs supermassifs de l’univers. »

Il existe deux grandes écoles de pensée sur la formation des trous noirs supermassifs. Le premier est le modèle ascendant. Une étoile massive meurt, laissant généralement derrière elle un trou noir d’une masse d’environ 100 fois la masse du Soleil.

Au fil du temps – beaucoup, beaucoup de temps – le trou noir avale un tas de matière, devenant de plus en plus gros jusqu’à ce qu’il soit des millions à des milliards de fois la masse du Soleil. Il est très difficile de concilier cela avec les quasars de l’univers primitif.

L’autre option est si vous commencez avec une graine de « grand trou noir », qui est plus de 100 000 fois la masse du Soleil. Les étoiles qui se sont effondrées pour former ces trous noirs auraient vécu une vie cosmique très courte, peut-être 250 000 ans, avant de s’effondrer dans un trou noir.

Il n’y a pas d’étoiles connues de cette masse aujourd’hui, et nous ne connaissons aucun mécanisme de formation actuel qui pourrait le produire. Mais des simulations ont montré que dans l’univers primitif, lorsque les conditions étaient quelque peu différentes de celles d’aujourd’hui, de telles étoiles auraient pu théoriquement se former à l’intersection de courants rares mais puissants de gaz froid, dense et turbulent.

Les cosmologistes pensaient qu’il faudrait des conditions vraiment étranges, comme de forts arrière-plans ultraviolets ou des flux supersoniques entre le gaz et matière noire. Et aucune de ces conditions étranges ne ressemblait aux environnements dans lesquels ces quasars ont été trouvés dans l’univers primitif.

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Dirigés par l’astrophysicien Mohammed Latif de l’Université des Émirats arabes unis aux Émirats arabes unis, les chercheurs ont effectué des simulations de flux de gaz et ont été heureux de constater que des trous noirs supermassifs se formaient spontanément aux intersections de ces flux, sans avoir besoin de conditions exotiques. .

Dans la simulation, la turbulence des courants croisés empêche la formation d’étoiles ordinaires, telles que celles que nous voyons aujourd’hui. Habituellement, cela se produit lorsqu’un nœud dense de matière dans un nuage froid s’effondre sous l’influence de la gravité pour former une jeune étoile, mais lorsqu’il y a beaucoup de turbulences, les conditions ne sont pas suffisamment stables pour que cela se produise.

En fin de compte, cependant, le nuage dans la simulation est devenu si gros qu’il s’est effondré de manière désastreuse en deux étoiles géantes, enregistrant une masse de 31 000 et 40 000 fois la masse du Soleil.

Alors que le gaz continue de s’écouler des courants vers les nuages, un trou noir supermassif d’une masse des milliards de fois supérieure à la masse du Soleil peut se former et se développer en quelques centaines de millions d’années.

« En conséquence, les seuls nuages ​​primordiaux qui pouvaient former un quasar immédiatement après l’aube cosmique – lorsque les premières étoiles de l’univers se sont formées – ont également créé leurs graines commodément massives. Ce résultat simple et magnifique explique non seulement l’origine des premiers quasars mais aussi leur démographie – leur nombre dans les temps anciens,  » Whalen a conclu.

« Les premiers trous noirs supermassifs n’étaient qu’un corollaire de la formation de structures dans la cosmologie de la matière noire froide – les enfants de la toile cosmique. »

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La recherche a été publiée dans tempérer la nature.