Image d’un trou noir supermassif au centre d’une galaxie simulée par ordinateur. Le rond noir figure l’horizon des événements, limite au-delà de laquelle toute matière ne peut plus s’échapper. Plus la masse de ce puit gravitationnel est grande, plus l’espace et le temps sont déformés, ce qui produit cet effet de miroir déformant sur les étoiles à l’arrière-plan. © Nasa, Esa, C.-P. Ma (University of California, Berkeley), J. Thomas (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching)

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Surprise, un énorme trou noir supermassif dans un amas trop petit

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Un des trous noirs les plus massifs connus a été découvert là où l'on ne l'attendait pas du tout : au centre d'une galaxie elliptique qui règne sur un modeste groupe de galaxies. Les astronomes avaient l'habitude de rencontrer ces monstres dans des galaxies très massives au milieu des mêlées de superamas. Les raisons de sa présence dans ce trou perdu, loin des grandes agglomérations galactiques, ne sont pas encore claires.

Les astronomes ont pris l'habitude de recueillir des preuves indirectes de la présence de trous noirs monstrueux, appelés trous noirs supermassifs, au centre des galaxies. La Voie lactée n'échappe pas à la règle avec Sagittarius A*, situé en son sein à quelque 26.000 années-lumière de la Terre, en direction de la constellation du Sagittaire. Cependant, avec une masse estimée à 4 millions de fois celle du Soleil, il fait figure de sage - quelques encas de temps en temps - en comparaison avec certains de ses pairs. Notre grande voisine, la galaxie d’Andromède, avec qui la Voie lactée flirte avant d'entrer en collision avec elle dans quelques milliards d'années, cache en son cœur un petit monstre d'environ 200 millions de masses solaires. Toutes deux, rappelons-le, dominent notre Amas local, modeste troupeau d'une quarantaine de galaxies.

Au fil des observations, les chercheurs se sont rendu compte que plus le troupeau est massif et peuplé, plus il y a de chances de débusquer de véritables géants : les trous noirs hypermassifs de plus de 10 milliards de masses solaires. L'actuel record est détenu par celui tapi au centre de la galaxie elliptique supergéante NGC 4889 qui règne sur plus de mille galaxies liées gravitationnellement dans l'amas de la Chevelure de Bérénice (Coma) : 21 milliards de masses solaires. Ce n'est pas très loin d'ici, seulement 300 millions d'années-lumière.

Un gratte-ciel au centre d’une petite ville

Plus près encore - à l'échelle cosmique -, à 209 millions d'années-lumière, une équipe dirigée par Jens Thomas de l'institut Max Planck pour la physique extraterrestre a présenté dans la revue Nature du 6 avril un spécimen rare de trou noir hypermassif de 17 milliards de masses solaires. Un spécimen rare car il a été vu là où on ne l'attendait pas.

Ce fut une vraie surprise. « Le nouveau trou noir géant découvert réside au centre d'une galaxie elliptique massive, NGC 1600, située dans un coin perdu [en direction de la constellation de l'Éridan, NDLR] regroupant une vingtaine de galaxies » résume Chung-Pei Ma, de l'université de Berkeley. Les chercheurs évoquent un gratte-ciel immense qui ne trônerait pas dans une mégalopole mais dans une commune champêtre. « Nous estimons que ces petits groupes sont environ 50 fois plus abondants que les spectaculaires amas de galaxies comme celui de la Chevelure de Bérénice, continue la directrice de Massive, un sondage des galaxies (et des trous noirs) les plus massifs de l'Univers local. La question est donc maintenant : est-ce la pointe émergée de l'iceberg ? » Combien sont-ils en réalité ?

Dans un coin perdu de l’Univers local, la galaxie elliptique NGC 1600 domine un petit amas d’environ 20 galaxies. À la grande surprise des chercheurs, son trou noir supermassif atteint 17 milliards de masses solaires. C’est l’un des plus massifs connus. Que fait-il là, au milieu de nulle part ? L’image dans l’encart a été obtenue dans le proche infrarouge avec l’instrument Nicmos d’Hubble en 1998. © DSS (Digitized Sky Survey), STScI/Aura, Palomar/Caltech, UKSTU/AAO et A. Quillen (University of Rochester)

Un géant endormi

Autre surprise : le trou noir est 10 fois plus massif que prévu pour une galaxie de cette catégorie. En effet, les recherches récentes tendaient à démontrer une solide corrélation entre la masse du renflement central (le bulbe galactique) et le trou noir qu'elle abrite. Or, NGC 1600 présente un bulbe assez clairsemé. Cette relation semble ne pas bien fonctionner pour ces trous noirs titanesques. Le rapport est différent.

Pour expliquer la présence de ce monstre dans cette petite collection de galaxies, les chercheurs avancent l'hypothèse qu'il serait né de la fusion avec un de ses congénères, à une époque où les interactions entre galaxies étaient plus fréquentes. Avant leur danse finale, les deux trous noirs auraient communiqué l'élan suffisant à un grand nombre d'étoiles pour qu'elles prennent la fuite. Le Gargantua a très bien pu, également, multiplier les festins avec ses voisines, se gavant de leur gaz arraché au fil des rencontres. C'est peut-être pour cela qu'elles se font rares. « Pour devenir aussi massif, le trou noir a dû avoir une phase très vorace durant laquelle, il a dévoré beaucoup de gaz » remarque la coauteure.

C'est la vélocité des étoiles au centre, mesurée avec le spectrographe GMOS (Gemini Multi-Object Spectrograph) du télescope de 8 mètres Gemini-North à Hawaï qui a trahi la véritable masse de ce trou noir hypermassif. Les mouvements de certaines étoiles suggèrent qu'elles ont été expulsées du refuge central. D'ailleurs, en réexaminant les données archivées collectées avec le spectromètre Nicmos (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) du télescope spatial Hubble, l'équipe a pu vérifier que le trou noir n'est pas noyé dans une foule d'étoiles. Au contraire, celles-ci semblent avoir déserté le centre-ville... Les chercheurs estiment que le trou noir binaire aurait éjecté une masse équivalente à 40 milliards de soleils.

Interview : dans un trou noir, que devient la matière ?  Les trous noirs stellaires sont les restes d’étoiles massives qui, à leur mort, se sont écroulées sur elles-mêmes. Ces astres ont une masse telle qu’ils avalent tout ce qui passe à leur portée. À l'occasion des 70 ans du CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), Futura-Sciences a rencontré Roland Lehoucq, astrophysicien, afin de savoir ce qui arrive à la matière qui y pénètre.