Une vue d'artiste d'un des trous noirs géants au centre d'une galaxie. On voit en l'occurrence son disque d'accrétion chauffé. © M. Kornmesser

Sciences

Un trou noir gigantesque de 40 milliards de fois la masse du Soleil ! Un record

ActualitéClassé sous :Astronomie , quasars , trou noir supermassif

Holm 15A* est un cousin extrême du trou noir supermassif de la Voie lactée, Sgr A*, qui contient lui 4 millions de masses solaires. Il vient de battre le record - pour une masse de trou noir déterminée directement - avec un contenu équivalent à 40 milliards de fois la masse du Soleil.

À ce jour, la théorie de la relativité générale reste la meilleure théorie de la gravitation connue. Elle trône toujours au-dessus des nombreuses alternatives qui ont été proposées à la théorie relativiste de la gravitation découverte il y a plus d'un siècle par Albert Einstein. Ses prédictions les plus spectaculaires concernent, dans le désordre, la théorie du Big Bang, les ondes gravitationnelles et les trous noirs.

De ces astres compacts, que l'on peut considérer comme des solitons du champ de gravitation et dont les connexions avec la physique des particules élémentaires sont sans aucun doute très profondes mais aussi très mystérieuses, on ne connaît aucune limite à leur taille et à leur masse dans le cadre de la théorie d'Einstein. En fait, notre univers lui-même pourrait, dans un certain sens, être l'intérieur d'un trou noir associé à un espace-temps bien plus grand que celui de notre univers observable.

Si l'on tente de compléter la théorie de la relativité générale par sa version quantique - qui reste élusive -, des considérations générales et donc sans doute robustes laissent penser que les plus petits trous noirs possibles sont de l'ordre de la fameuse longueur de Planck. Et qu'ils participent à l'apparition et la disparition en particulier de paires de trous noirs virtuels microscopiques chargés, à l'instar des paires de particules et d'antiparticules en théorie quantique des champs.

Toujours est-il que les observations des astronomes nous ont fait découvrir l'existence des trous noirs supermassifs au cœur des grandes galaxies, qu'elles soient spirales ou elliptiques. Certains de ces trous noirs dépassent le milliard de masses solaires. Le record, mais avec des estimations indirectes, est pour l'instant détenu par TON 618 (66 milliards de masses solaires), un quasar qui est situé à proximité du pôle Nord galactique dans la constellation des Chiens de chasse, à 10,4 milliards d'années-lumière de la Terre.

Chandra a observé en rayons X l'amas de galaxies Abell 85 qui contient la galaxie elliptique géante Holmberg 15A où se trouve le trou noir supermassif Holm 15A*. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Le record de masse déterminée directement pour un trou noir

Mais aujourd'hui, une équipe d'astronomes principalement de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre, situé à Garching bei München (à côté de Munich), vient de mettre en accès libre sur arXiv un article dans lequel les chercheurs annoncent la découverte du trou noir supermassif le plus important connu via une mesure, directe cette fois, de sa masse. Il est au centre d'une galaxie elliptique supergéante située à environ 700 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Elle se nomme Holmberg 15A (Holm 15A) en référence à son découvreur le célèbre astronome et cosmologiste suédois Erik Holmberg, connu par ses travaux de pionnier sur la simulation analogique des interactions entre galaxies.

Techniquement, Holm 15A est un exemple de ce que l'on appelle en anglais une Brightest Cluster Galaxy, ou BCG. Basiquement, une BCG est définie comme la plus brillante galaxie dans un amas. Certaines d'entre elles sont les plus massives que l'on connaisse dans le cosmos observable. Elles peuvent contenir plusieurs dizaines de fois la masse de la Voie lactée. Il s'agit généralement de galaxies elliptiques. On les trouve à proximité du centre géométrique et cinématique de l'amas galactique, là où l'on trouve aussi le maximum des émissions de rayons X associées au gaz intergalactique chaud d'un amas. Ainsi, Holmberg 15A est la BCG de l'amas de galaxies Abell 85.

La masse de Holm 15A* a été estimée à partir d'une méthode d'analyse de la distribution des positions et des vitesses des populations d'étoiles en orbite autour de ce trou noir supermassif. Cette distribution a été obtenue en étudiant les étoiles à l'aide de l'instrument Muse du VLT. Les calculs montrent que cette distribution correspondrait à une masse d'environ 40 milliards de fois celle du Soleil pour ce trou noir. La taille de l'horizon des évènements associé est absolument gigantesque. Pour tenter de s'en faire une idée rappelons que Pluton est, en moyenne, à 39,5 unités astronomiques (UA) du Soleil. Or, le rayon de Schwarzschild de Holm 15A* serait d'environ 790 UA, soit 10.000 fois plus que celui du trou noir central de la Voie lactée Sgr A*.

Ces déterminations sont d'importance car elles pointent directement vers un scénario de formation des trous noirs supermassifs et en particulier dans le cas de Holm 15A*. Il est trop massif par rapport à la luminosité du cœur de la galaxie Holmberg 15A, lequel est d'ailleurs anormalement peu brillant. Tout s'explique dans le cadre du modèle des collisions entre galaxies elliptiques géantes suivies de la fusion de leurs trous noirs supermassifs respectifs.

La collision aurait alors conduit à éjecter bon nombres d'étoiles du cœur de la galaxie géante formée sur des orbites très, très elliptiques, dépeuplant en quelque sorte celui-ci.

  • Les trous noirs supermassifs contiennent d'un million à plusieurs milliards de masses solaires.
  • On les trouve dans un très grand nombre de galaxies elliptiques et spirales de grande taille.
  • Plusieurs méthodes, directes et indirectes, permettent d'estimer la masse de ces monstres, comme l'étude des mouvements des étoiles en orbite autour d'eux.
  • Le record pour l'estimation directe de la masse d'un trou noir supermassif est aujourd'hui battu par Holm 15A*, au cœur de la plus brillante galaxie de l'amas Abell 85.
  • Holm 15A* contient 40 milliards de masses solaires pour un rayon de l'horizon des évènements de 790 unités astronomiques (UA). Pluton est en moyenne à 39,5 UA du Soleil.
Pour en savoir plus

Record : des trous noirs d'environ 10 milliards de masses solaires

Article de Laurent Sacco publié le 09/12/2011

Un groupe d'astrophysiciens a découvert deux trous noirs supermassifs au cœur de deux galaxies elliptiques, chacun presque deux mille cinq cents fois plus massif que le trou noir central de la Voie lactée. Il s'agit probablement des restes d'anciens quasars qui illuminaient l'univers à ses débuts.

On devrait fêter en 2016 le centenaire de la publication par Einstein de la forme finale de sa théorie de la relativité générale. Les équations découvertes par Einstein contenaient diverses prédictions si stupéfiantes qu'il faudra des décennies pour qu'elles soient prises au sérieux. On peut citer, bien sûr, celles de l'expansion de l’univers et de la théorie du Big Bang, qui ne s'imposeront qu'après les travaux de pionniers comme Georges Lemaître et surtout la découverte du rayonnement fossile.

La prédiction la plus troublante est probablement celle des trous noirs, qui ne sera réellement considérée par la communauté scientifique qu'après la découverte des quasars et des étoiles à neutrons. Même après la découverte de Cygnus X1, des doutes étaient encore fréquents chez les astrophysiciens des années 1970.

Nous sommes aujourd'hui bien loin de cette époque. Nous savons que notre propre galaxie possède un trou noir supermassif central et nous traquons même les trous noirs dans les collisions du LHC

NGC 3842 (en haut à gauche) est la galaxie la plus brillante dans le riche amas de galaxies du Lion. Une image d’artiste montre son trou noir central, déformant fortement les images des étoiles environnantes par son puissant champ de gravitation. La taille de son horizon des événements vaut 200 fois l'orbite de la Terre, ou cinq fois celle de Pluton. L'influence gravitationnelle de ce trou noir s'étend sur une sphère de 4.000 années-lumière de diamètre. © Pete Marenfeld

Tous les quasars sont probablement des trous noirs supermassifs

Nous connaissons aussi plus de 60 trous noirs supermassifs dans des galaxies voisines, avec des masses allant de quelques millions à plusieurs milliards de masses solaires. Le record était détenu jusqu'à présent par la galaxie M87, arborant un trou noir de presque 6,3 milliards de fois la masse du Soleil.

Le lien établi entre les quasars et les trous noirs laisse penser que l'on connaît un nombre bien plus grand de galaxies contenant un trou noir central supermassif. Certains quasars, en effet, sont si lumineux que l'on est conduit à penser qu'il existe dans l'univers observable des trous noirs d'au moins 10 milliards de masses solaires. Une idée confortée par les simulations numériques de leur formation.

Si l'on en croit une publication récente dans Nature, c'est bel et bien le cas. En utilisant plusieurs télescopes au sol, dont les célèbres Gemini et Keck, une équipe d'astrophysiciens américains a en effet découvert deux monstres dans les galaxies elliptiques NGC 3842 et  NGC 4889.

Située dans la constellation du Lion à 320 millions d'années-lumière de la Voie lactée, NGC 3842 est la plus brillante de l'amas galactique du Lion et son trou noir supermassif contiendrait 9,7 milliards de masses solaires.

Située elle dans la constellation de la Chevelure de Bérénice, NGC 4889 est à 336 millions d'années-lumière de la Terre et la masse de son trou noir central devrait dépasser les 10 milliards de masses solaires.

Il est probable qu'il s'agisse là de deux restes d'anciens quasars qui brillaient intensément pendant les premiers milliards d'années de l'histoire de l'univers observable.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Stephen Hawking, l'astrophysicien qui a fait aimer la science  Le grand physicien Stephen Hawking est décédé le 14 mars 2018. Véritable légende de la physique, il fut aussi un très talentueux vulgarisateur. Retour sur la vie hors du commun de ce savant qui a su se faire aimer du public et rendre accessible ses travaux de recherche scientifique : trous noirs, théorie des supercordes, rayonnement de Hawking, théorèmes sur les singularités... La science lui dit un immense merci.