Nous devons parler des âges sombres. Non, nonceux âges sombres après la chute de l'Empire romain occidental. Et nous devons parler de l'aube cosmique: la naissance de ces premières étoiles, une époque tumultueuse qui a complètement remodelé le visage du cosmos dans sa forme moderne.
Ces premières étoiles peuvent être complètement différentes de tout ce que nous voyons dans l'univers actuel. Et nous pouvons, si nous avons de la chance, être sur le point de les voir pour la première fois.
Nous devons d'abord créer un petit mystère.
Nous savons tous maintenant comment les trous noirs deviennent. Une étoile géante, quelque part au nord de huit fois la masse de notre soleil, vit sa vie brève mais prévisible, fusionnant l'hydrogène en hélium. Ensuite, il manque d'hydrogène et commence à fondre l'hélium. Ensuite, il manque d'hélium et commence à brûler des objets plus lourds, remontant le tableau périodique jusqu'à ce qu'il touche le fer. Le fer à fusion aspire de l'énergie au lieu de libérer de l'énergie, et donc rien ne peut arrêter l'effondrement gravitationnel terrible de l'étoile. Tout est réduit en un petit volume, et maintenant vous avez un trou noir.
Au fil du temps, ce trou noir peut se rencontrer et consommer d'autres trous noirs, ou simplement téter sur le matériau interstellaire environnant, augmentant tout le temps en abeille. Avec suffisamment de temps et de nourriture, le trou noir peut gonfler pour devenir un géant - un géant supermassif. Ces créatures se cachent dans le cœur des galaxies et font facilement pencher la balance à plus d'un million de fois la masse de notre soleil.
De nouveaux matériaux continuent de tomber - ce n'est pas parce que le trou noir est gigantesque que sa faim est rassasiée - et lorsque le gaz tombe dans la gueule béante du trou noir, il se comprime et se réchauffe, brillant plus fort que la valeur d'une galaxie étoiles. Cet objet porte plusieurs noms - quasar, blazar, noyau galactique actif - mais ils signifient tous la même chose: un trou noir géant estalimentation.
C’est bien beau et légèrement terrifiant, mais voici un problème. Nous voyons des quasars dans l'univers très éloigné, ce qui signifie que nous voyons des quasars dans le trèsJeune l'univers, alors qu'il n'avait même pas un milliard d'années (oui, c'est jeune pour un univers). Et le processus que je viens de décrire ci-dessus (former de grandes étoiles, les laisser vivre et mourir, créer un trou noir, le laisser se nourrir dans des proportions gargantuesques) prend beaucoup plus de temps qu'un milliard d'années.
Comment notre univers a-t-il produit des trous noirs monstres si rapidement?
Si la route habituelle étoile-> trou noir-> quasar ne semble pas fonctionner dans le premier univers, il est temps d'envisager des alternatives. Raccourcis. Des itinéraires plus rapides pour créer les grands trous noirs que nos observations exigent existent. Et le moyen le plus rapide de faire un trou noir supermassif est de commencer par une étoile supermassive.
Comment supermassif? Que diriez-vous de 100 000 masses solaires, est-ce assez gros pour vous?
Des étoiles comme ça n'existent tout simplement pas dans l'univers d'aujourd'hui. Si vous essayez de fourrer tout çades trucs en un volume suffisamment compact pour en faire une étoile, les interactions et les instabilités le fragmenteront comme tant de pâte à biscuits en ruine dans vos mains, formant beaucoup d'étoiles normales au lieu d'une seule monstre. C'est pourquoi nous pensons que les étoiles de plus de 100 masses solaires sont, bien que possible, extrêmement rares aujourd'hui.
Mais l'ère de l'Aube cosmique était une autre époque. D'une part, aucun élément lourd n'existait encore - les forges nucléaires n'avaient pas fonctionné assez longtemps pour polluer les voies navigables interstellaires. Le rayonnement de ces éléments supplémentaires est un excellent moyen de refroidir un nuage de gaz et de déclencher sa fragmentation en petits morceaux. Deuxièmement, le jeune cosmos a été inondé de rayons ultraviolets de haute énergie provenant de la naissance soudaine d'autres étoiles plus petites. Ce rayonnement brise l'hydrogène moléculaire, une autre voie clé pour refroidir et fragmenter un nuage de gaz géant.
Donc, même si c'est encore rare, les conditions étaient peut-être juste à la fin des âges sombres cosmiques pour former des étoiles géantes et même supergéantes: suffisamment de matière aurait pu couler dans un volume assez petit sans se séparer, donnant naissance à une énorme étoile.
Ces étoiles géantes auraient mené de courtes vies et se seraient effondrées directement pour former de grands trous noirs, raccourcissant la route habituelle pour fabriquer des quasars.
Cela semble être une excellente idée, mais en science, les grandes idées doivent confronter les preuves avant que nous puissions commencer à y croire. Dans ce cas, il serait assez pratique d'avoir une photo de l'une de ces étoiles gargantuesques avant ils se sont transformés en trous noirs puis en quasars.
C'est difficile, cependant, parce que l'âge où ces étoiles ont vécu et sont morts est loin de nous. Et ces étoiles, bien que toujours géantes par rapport aux normes stellaires, étaient très très petites, ce qui les rend encore plus difficiles à repérer à ces distances extrêmes.
Mais pour une fois, nous pourrions avoir une chance. Des simulations récentes de ces étoiles étranges révèlent qu'elles sont étonnamment fraîches, ayant une température de surface quelque part entre 6 000 et 8 000 Kelvin, donnant à leurs surfaces une lueur rouge intense. Et en raison de leur volume incroyable, ils sont très brillants, éclatant de lumière à une intensité de dix milliards de soleils. Cette combinaison de luminosité et de rougeurs profondes signifie qu'ils sont potentiellement visibles dans les longueurs d'onde infrarouges pour certaines missions à venir.
Des missions comme le James Webb Space Telescope, un instrument spécialement conçu pour partir à la chasse aux premières étoiles. Si des étoiles supergéantes existaient dans ces époques lointaines, et si certains d'entre eux ont eu la chance de survivre dans l'ère où leurs frères ont déjà commencé à se transformer en trous noirs monstres, les mettant juste un peu plus en vue, il y a une chance que nous puissions directement prenez leur photo.
Quel spectacle ce serait.
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