Le texte suivant est une présentation sur les quasi-étoiles.
1. Introduction : Les colosses de l'aube cosmique
Les quasi-étoiles ont peut-être été les étoiles les plus grosses jamais existé. Elles brillaient plus que des galaxies et étaient plus grosses que toutes les étoiles d'aujourd'hui ou celles du futur. Mais à part leur taille, ce qui les rend spéciales et bizarres c'est qu'à l'intérieur, elles étaient habitées par un parasite cosmique : un trou noir. Mais comment cela est-il possible ?
Les quasi-étoiles prennent la "bizarrerie" des trous noirs et vont plus loin pour casser tout ce que l'on sait sur comment les étoiles se forment et grandissent. En effet, elles n'étaient possibles que durant une petite période de temps au début de l’univers (0,1 à 0,5 milliards d'années après le Big Bang) mais si elles ont existé, elles pourraient résoudre un des plus grands mystères de la cosmologie.
Les quasi-étoiles étaient excessives dans tous les sens du terme. En effet, les étoiles les plus massives d'aujourd'hui ont jusqu'à 300 fois la masse du Soleil, mais les quasi-étoiles atteignaient jusqu'à 10 millions de masses solaires, constituées d'hydrogène pur. Leur taille était 800 000 fois plus large que celle du Soleil et en leur centre, un trou noir grandissait rapidement en dévorant des milliards et des milliards de tonnes de matière par seconde.
2. Comment se forment les étoiles classiques ?
Normalement, les étoiles naissent au sein de gigantesques nuages principalement constitués d'hydrogène. Dans ces nuages, la matière commence à s'accumuler autour du point le plus dense. Quand ces points deviennent encore plus denses, leurs forces gravitationnelles augmentent et ils grandissent plus rapidement. Au bout d'un certain temps, ils ont accumulé tellement de chaleur et de pression qu'une fusion nucléaire se crée et une nouvelle étoile naît.
Mais cela pose une limite à leur taille. En effet, la fusion nucléaire relâche assez de radiation pour que le nuage de gaz soit répandu dans l'univers. Par conséquent, la nouvelle étoile ne peut plus grandir, car elle n'a plus de gaz à disposition. À partir de maintenant, la nouvelle étoile vit dans un équilibre entre deux forces : la gravité qui essaye de compresser l'étoile et les radiations créées par la fusion essayant de sortir de l'étoile, l'exposant au passage. Après des millions voire des milliards d'années, le cœur est à court de carburant et la balance se rompt, détruisant l'étoile.
3. Comment les quasi-étoiles se forment-elles ?
Mais les quasi-étoiles étaient très différentes. Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, quand l'univers était plus petit, toute la matière de l'univers était concentrée ; l'univers était donc plus dense et plus chaud. La matière noire était très présente et se regroupait alors pour former des halos de matière noire. Ces halos étaient tellement grands qu'ils concentraient de gigantesques quantités d'hydrogène et devenaient la place où les étoiles et galaxies se formaient.
Dans cet unique environnement qui n'existera plus jamais (car il n'y avait pas encore d'éléments lourds), la force gravitationnelle des halos a concentré le gaz en leur centre et a créé des étoiles extrêmement massives. Comme je l'ai dit précédemment, quand une étoile naît, elle répand le gaz ayant servi à sa formation dans l'univers. Cependant, ces nuages de gaz étaient tellement grands que même après la formation de l'étoile, le nuage restait en place et forçait l'étoile à grandir encore et encore jusqu'à atteindre une taille critique d'environ un système solaire de diamètre. Écrasé par la gravité, le centre de l'étoile, devenant de plus en plus chaud, essaye de trouver une sortie, sans succès. Il y a trop de chaleur et de pression pour que la balance reste en place.
4. Le "problème" des quasi-étoiles : la naissance d'un monstre interne
Comme lors d’une supernova, l’étoile s’effondre sur elle-même et se transforme en trou noir. Normalement, cela signe la fin. Une supernova a lieu, un trou noir se forme puis les choses se calment. Mais dans ce cas, la quasi-étoile survit à sa propre mort. Une explosion a bien lieu à l'intérieur de l'étoile, mais ce n'est pas assez. Elle est tellement large et massive que même une supernova ne peut la détruire. Cependant, elle a maintenant un trou noir à la place du cœur. Il est petit, quelques dizaines de kilomètres à l'intérieur de quelque chose faisant la taille du système solaire.
5. Fonctionnement des trous noirs et le cas particulier des quasi-étoiles
Comme je l’ai dit, les étoiles naissent à partir de gaz tourbillonnant et s'effondrant sur lui-même, donc elles font aussi des rotations, elles tournent. Quand un trou noir naît à l'intérieur d'une étoile, alors il tourne aussi. Cela veut dire que la matière qui se fait aspirer ne tombe pas directement, mais commence à tourner autour du trou noir en faisant des cercles de plus en plus petits et en allant de plus en plus vite. Le résultat est un disque d'accrétion où le gaz orbite avec une vitesse proche de celle de la lumière. Néanmoins, seulement une petite partie du gaz tombe vraiment dans le trou noir à un instant t.
Mais la matière piégée dans le disque d'accrétion ne passe pas un bon moment : la friction et les collisions entre les particules chauffent la matière jusqu'à plusieurs millions de degrés. Certains trous noirs actifs ont des disques d'accrétion qui sont incroyablement puissants et chauds. Or, cette chaleur du disque restreint encore plus à quel point un trou noir peut se nourrir. En effet, comme dans le cœur des étoiles, les matériaux extrêmement chauds créent des radiations qui éjectent la plupart de la "nourriture" à disposition du trou noir. En conséquence, même si un trou noir avait à sa disposition autant de matière que possible, il ne pourrait grandir que lentement.
Cependant, un trou noir à l'intérieur d'une quasi-étoile est différent. L'énorme pression qui l'entoure pousse directement la matière en son centre, outrepassant toutes les restrictions sur sa vitesse de croissance. Ce procédé est tellement violent et relâche tellement d'énergie que le disque d'accrétion devient plus chaud encore et relâche plus de radiation que le cœur d’une étoile ne pourra jamais le faire, et assez pour repousser le poids de 10 millions de Soleils.
7. Fin de vie des quasi-étoiles : le parasite dévore son hôte
Une dangereuse balance vient de se créer : des millions de masses solaires poussant vers l'intérieur et les radiations du trou noir poussant vers l'extérieur. Pour les prochains millions d'années, la quasi-étoile est consommée de l'intérieur. Le trou noir grandit jusqu'à des milliers de masses solaires et plus il devient gros, plus il se nourrit vite, ce qui augmente la température de l'étoile encore plus, la forçant à grandir elle aussi. Dans sa phase finale, la quasi-étoile atteint un diamètre de plus de 30 systèmes solaires pour vraiment devenir la plus grande étoile jamais existé. À la fin, le disque d'accrétion devient trop puissant et le parasite détruit son hôte. Un trou noir avec une masse de 100 000 Soleils émerge et commence à chercher de nouvelles proies.
8. Réponse au problème : l'origine des trous noirs supermassifs ?
Si les quasi-étoiles ont réellement existé, elles pourraient expliquer un des plus grands mystères de l'univers. En effet, les trous noirs supermassifs que l'on voit au centre de chaque galaxie sont juste trop gros, ils ne devraient pas être possibles. Les trous noirs qui naissent de supernova classique peuvent peser quelques dizaines de masses solaires au plus. Et à cause des raisons évoquées précédemment, ils grandissent lentement. Si les trous noirs fusionnent, ils peuvent en former un à peine plus gros, jusqu'à environ une centaine de masses solaires. Cela devrait prendre des milliards et des milliards d'années pour former un trou noir avec des centaines de milliers voire des millions ou milliards de masses solaires.
Et pourtant, on sait que certains trous noirs supermassifs avaient déjà 800 millions de masses solaires seulement 690 millions d'années après le Big Bang. Les quasi-étoiles sont une sorte de "triche" pour les trous noirs. Si elles se sont formées assez tôt dans l'univers, et que les trous noirs qui en ont résulté pesaient des milliers de masses solaires, ils pourraient alors être les germes des trous noirs supermassifs. Ces trous noirs pourraient prendre place au centre des premières galaxies, fusionnant entre eux pour grandir rapidement et de manière stable afin d'atteindre les tailles que nous observons aujourd'hui.