Comme nous ne pouvons pas voir les trous noirs, il est difficile de savoir exactement combien il y en a dans le vaste univers. Mais cela ne signifie pas que nous n’avons aucun moyen d’essayer de le savoir.

Image d’entête : carte du ciel publiée l’année dernière et présentant 25 000 trous noirs supermassifs. Chaque point blanc est un trou noir supermassif dans sa propre galaxie, avec la taille de la Lune (en haut à gauche) pour l’échelle. (Étude LOFAR/ LOL Survey)

Les trous noirs stellaires sont les noyaux effondrés d’étoiles massives mortes, et de nouvelles recherches intégrant la formation et l’évolution de ces étoiles et des étoiles binaires (couple d’étoiles) ont permis d’obtenir une nouvelle estimation de la population de trous noirs de masse stellaire dans l’Univers.

Le chiffre est assez impressionnant : 40 millions de milliards, soit 40 000 000 000 000 000 de trous noirs, ce qui représente environ 1 % de toute la matière normale de l’Univers observable.

Selon l’astrophysicien Alex Sicilia de l’École internationale supérieure d’études avancées (SISSA) en Italie :

Le caractère innovant de ce travail réside dans le couplage d’un modèle détaillé de l’évolution stellaire et binaire avec des formules avancées pour la formation d’étoiles et l’enrichissement en métaux dans les galaxies individuelles.

Il s’agit de l’un des premiers et des plus robustes calculs ab initio (depuis le début) de la fonction de masse des trous noirs stellaires à travers l’histoire cosmique.

Les trous noirs sont un énorme point d’interrogation qui plane sur notre compréhension de l’Univers, ou plutôt, beaucoup de points d’interrogation. Mais si nous avons une bonne idée du nombre de trous noirs qui existent, cela pourrait nous aider à répondre à certaines de ces questions.

Une première approche consiste à estimer l’histoire des étoiles massives dans l’Univers. Nous serions alors en mesure de calculer le nombre de trous noirs qui devraient se trouver dans un volume d’espace donné.

Cette connaissance pourrait fournir des indices sur la croissance et l’évolution des trous noirs supermassifs qui représentent des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil et qui constituent le cœur des galaxies.

Sicilia et ses collègues ont adopté une approche computationnelle. Ils n’ont inclus que les trous noirs qui se forment via l’évolution d’étoiles simples ou binaires, et en tenant compte du rôle des fusions de trous noirs, dont le nombre peut être estimé sur la base des données des ondes gravitationnelles, et qui produisent des trous noirs de masse légèrement supérieure.

Cela leur a permis de calculer le taux de naissance des trous noirs de masse stellaire entre 5 et 160 fois la masse du Soleil sur la durée de vie de l’Univers.

Ce taux de naissance suggère qu’il devrait y avoir environ 40 quintillions de trous noirs de masse stellaire dispersés dans l’Univers observable aujourd’hui, les trous noirs de masse stellaire les plus massifs étant produits par des fusions de trous noirs binaires dans des amas d’étoiles.

L’équipe a comparé ses résultats aux données des ondes gravitationnelles et a constaté que son estimation du taux de fusion des trous noirs était en accord avec les données d’observation. Cela suggère que les fusions d’amas d’étoiles sont probablement à l’origine des collisions de trous noirs observées.

En calculant le taux de naissance au fil du temps, les chercheurs ont également pu obtenir une estimation du nombre de trous noirs de masse stellaire dans l’Univers primitif. Ce résultat est très intéressant, car les observations de l’Univers lointain ont révélé la présence de trous noirs supermassifs à un moment étonnamment proche du Big Bang.

On ne sait pas encore comment ces mastodontes ont pu devenir si grands si rapidement. Certaines questions actuelles concernent la masse des  » semences  » de trous noirs à partir desquelles ils ont grandi, qu’il s’agisse de trous noirs légers de masse stellaire ou de trous noirs  » lourds  » de masse intermédiaire.

Les recherches de l’équipe fourniront une base pour étudier ces questions. Cette étude est la première d’une série. Les prochaines porteront sur les trous noirs de masse intermédiaire et les trous noirs supermassifs afin d’obtenir une image plus complète de leur répartition dans l’Univers.

Selon l’astrophysicien Lumen Boco du SISSA :

Notre travail fournit une théorie robuste pour la génération de germes légers pour les trous noirs (super)massifs à haut décalage vers le rouge, et peut constituer un point de départ pour étudier l’origine des « germes lourds », que nous poursuivrons dans une prochaine publication.

L’étude publiée dans The Astrophysical Journal : The Black Hole Mass Function Across Cosmic Times. I. Stellar Black Holes and Light Seed Distribution et le communiqué de presse du SISSA (PDF) : There are 40 billion billions of Black Holes in the Universe!

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