Formation des galaxies
On constate que la plupart des galaxies spirales en particulier, abritent un ou plusieurs trous noirs supermassifs vers leur centre. Concernant la formation d’une telle structure à partir des infimes (10-5) fluctuations de densité du gaz formant l’univers, sous forme de plasma avant la recombinaison (vers 380 000 ans après big bang) et sous forme de gaz neutre après, lorsque les électrons peuvent se lier au noyau des atomes, on se pose plusieurs problèmes.
1- Le temps pour que cela produise ce qu’on, constate aujourd’hui. En effet, bien que cela ait pu débuter il y a 13,6 milliards d’années, dans bien des modèles on n’arrive pas à prédire l’état actuel : cela semble bien court !
2- Le processus a-t-il commencé par la formation du trou noir qui a impulsé la formation de la galaxie, du fait de son champ gravitationnel qui a attiré de la matière, en a absorbé une partie, a satellisé le reste du gaz qui de son côté, a pu générer des sous-structures comme les étoiles, amas, nébuleuses, par effondrement gravitationnel de matière.
3- Le processus a-t-il commencé par la formation de la galaxie, suite au fractionnement du nuage en surdensité et certaines surdensités ayant pu s’effondrer en trous noirs qui ont pu fusionner et migrer vers le centre, laissant le reste des autres nuages de gaz autour .
4- Les processus 2 et 3 se sont déroulés conjointement.
Variation de l’entropie dans ces processus
Au moment de la recombinaison l’entropie de l’univers est élevée, il a quasiment la structure d’un gaz parfait qu’on définir à partir de deux paramètres seulement, sa masse volumique (énergie) est sa pression.
Concernant les fluctuations, la théorie en vigueur, les attribue aux fluctuations quantiques primordiales dilatées par l’inflation primordiales qui a produit en un spectre de puissance invariant d’échelle (ou presque, quand on regarde de plus près).
Ces fluctuations de la « soupe » initiale semblent violer les lois de la thermodynamique qui stipulent que l’entropie d’un système isolé ne peut pas décroître.
Mais la mécanique quantique peut violer allègrement la thermodynamique au niveau microscopique sans problème!
Explicitons cette violation. Avant les fluctuations quantiques l’entropie était la plus grande (gaz parfait défini par 2 paramètres seulement) alors qu’après, elle était plus faible du fait des fluctuations. En effet, il faut connaitre toutes les dispositions et configurations de ces fluctuations pour décrire le système, soit un nombre de paramètres qui représente un quantité d’information extrêmement supérieure à celle d’un gaz parfait.
On rappelle que information et entropie varient en sens contraire, un système qui nécessite beaucoup d’information pour le décrire a une entropie faible, a contrario un système qui nécessite peu d’information ( comme un gaz parfait qui n’en nécessite que 2) a une entropie élevée.
Dans la formation d’une galaxie à partir d’un nuage de gaz en surdensité par rapport au milieu, comme ce nuage peut être décrit par peu de paramètres au départ, on peut le supposer homogène par exemple, auquel cas c’est gaz parfait à deux paramètres, quand on regarde l’état final aujourd’hui, (galaxie avec une multitude d’astres divers), il est très complexe, il faut beaucoup de paramètres pour le décrire. Son entropie a donc beaucoup diminué.
Mais la loi de thermodynamique s’applique ici (on est dans le domaine macroscopique) et cette diminution doit être compensée par une augmentation au minimum égale dans son environnement.
On pense au milieu dans lequel le grumeau de surdensité est inséré. C’est possible, mais ce milieu est lui-même d’entropie très élevée et il n’est pas simple de transférer une entropie énorme dans ce cas.
Le rôle salutaire de la formation d’un trou noir
Si on considère un vaste nuage de gaz comme un système fermé, la formation d’un trou noir, en son sein, en faisant augmenter considérablement l’entropie d’une partie de ce nuage (un trou noir de Kerr est défini par 2 paramètres ) permet à au reste du nuage de la faire décroître, tout en respectant le 2ième principe de la thermodynamique. [1]
Cette formation de trous noir, par exemple, concomitante, à la formation de la galaxie permet de transférer l’entropie au milieu environnant du fait qu’un trou noir résultant de l’effondrement de corps célestes fait augmenter considérablement l’entropie de la galaxie en cours de formation: rappelons que le trou de Kerr résultant ne nécessite que 2 paramètres, sa masse et son moment cinétique angulaire, en lieu et place d’une myriade de paramètres concernant les objets qu’ils a accrétés.
Notons que, c’est d’ailleurs l’objet d’un paradoxe- la non conservation de l’information par les trous noirs).
La formation d’un trou noir catalyse la formation des galaxies
On peut alors conjecturer, que cette formation de trous noirs, piégeant de l’information, concomitante de la formation de la galaxie catalyse cette formation de galaxie et peut la rendre plus efficace et compatible avec les observations.
De la même manière que pour qu’une étoile s’effondre il faut évacuer son moment angulaire, il faut évacuer l’entropie du processus pour qu’il réussisse.
La dynamique de formation des galaxies revisitée
Les observations récentes faites par le JWST montrent que des galaxies étaient déjà formées environ 200 millions d’années après le BIG Bang. Cela interpelle le modèle standard de la cosmologie, compte tenu de la faiblesse des surdensités dans le cosmos et du temps supposé pour les former.
On peut invoquer le mécanisme que nous venons de décrire qui agit comme un « accélérateur » de cette formation mais aussi une méconnaissance la distribution des surdensité liée à la résolution limitée ( de 0.1 ° d’arc à 0.5° d’arc) des instruments (WMAP, PLANCK). La représentation de la valeur d’un pixel est une moyenne sur une vaste région correspondante à de grands nuages. Si on sait que la matière baryonique suit une loi de corps noir, que nous savons interpréter, nous n’avons peu d’indication, (il n’existe pas de modèle de particule avéré de sa description), sur la distribution de densité de la matière noire qui est majoritaire et qui pourrait comporter des pics de surdensité, noyés dans la moyenne, favorisant alors, une formation précoce.
Matière baryonique vs matière noire pour la formation des structures
L’effondrement gravitationnel d’un nuage de matière baryonique, en très faible surdensité (10-5), est un processus long, du fait de la très faible surdensité et du fait qu’en s’effondrant le nuage s’échauffe ce qui s’oppose à l’effondrement puisqu’un gaz qui s’échauffe se dilate. Cet échauffement doit pouvoir être évacué (rayonnement) continument pour que l’effondrement puisse se poursuivre.
Par ailleurs, une partie du moment angulaire cinétique propre doit pouvoir être également évacué (il serait conservé sinon, et alors, la vitesse de rotation propre augmentant elle pourrait disloquer le nuage) pour que la galaxie puisse se former. Ceci est souvent, comme dans les étoiles, réalisé par des fractionnements générant des entités satellites de grand moment angulaire, ou pas des systèmes multiples incorporant un moment angulaire entre les parties.
Rien de cela ne contraint la matière noire qui interagit principalement gravitationnellement sans autre interaction connue. Des condensats denses peuvent alors, plus rapidement que pour la matière baryonique, se former et servir de germes à toute la matière (noire et baryonique). Cet effet devrait être prépondérant du fait que la matière noire est largement majoritaire.
Ceci pourrait expliquer la formation de galaxies, avec trou noir central, bien plus tôt qu’on ne le pensait, lorsqu’on s’intéressait uniquement à l’effondrement de la matière baryonique.
à suivre…
Notes
[1] Cette prise en compte de l’entropie et de sa conservation dans un processus peut s’appliquer à bien des domaines. On en trouvera un exemple, au sujet de la vie (un processus dont l’entropie diminue selon N. Wiener) dans une page de ce site .Existence de l’univers et de l’humain: Tautologie, cohérence et finalité ?17/03/24