Une vue d'artiste du disque d'accrétion autour du trou noir supermassif de NGC 3147. © ESA, Hubble, M. Kornmesser

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Hubble découvre un trou noir qui ne devrait pas exister

ActualitéClassé sous :trou noir supermassif , Quasar , test relativité générale

L'origine et la croissance des trous noirs supermassifs ne sont pas bien comprises par les astrophysiciens or, c'est une clé de l'évolution des galaxies. En cherchant à mieux s'expliquer ces énigmes, les chercheurs sont tombés sur l'un de ces trous noirs mais qui ne devait pas être entouré d'un disque d'accrétion, contrairement à ce que montre le télescope spatial Hubble.

Il y a presque un siècle, peu après la formulation finale par Einstein de sa théorie relativiste de la gravitation, la solution la plus simple pour décrire dans le cadre de la théorie de la relativité générale une étoile avait été trouvée par l'astrophysicien Karl Schwarzschild, quelques mois avant sa mort sur le front russe en 1916. Il a fallu des décennies pour que l'on comprenne son contenu physique caché et surtout qu'on le prenne au sérieux : rien de moins que ce que l'on appelle aujourd'hui la physique des trous noirs.

Nous savons désormais, comme on le soupçonnait il y a environ 50 ans, que des trous noirs supermassifs, ou des astres compacts se présentant comme tels, se trouvent au cœur de la majorité des grandes galaxies. Ils seraient même à l'origine des noyaux actifs de galaxies dont la manifestation la plus spectaculaire est celle des quasars. L'étude de ces objets est riche en promesses de toutes sortes aussi bien pour la physique fondamentale que pour l'astrophysique et la cosmologie car tout indique que les trous noirs supermassifs coévoluent avec les galaxies.

Des laboratoires de physique et d'astrophysique

Ils sont de formidables laboratoires pour tester des alternatives à la théorie de la relativité générale, en particulier lorsqu'il s'agit du trou noir supermassif de la Voie lactée, Sgr A* mais aussi M87*. C'est d'ailleurs ce qui a été fait avec l'instrument Gravity équipant le VLT,  l'Event Horizon Telescope et, dans un futur proche, ce que permettra de faire eLisa avec la détection des ondes gravitationnelles dans l'espace.

Pour ce qui concerne leur rôle dans la croissance et l'histoire des galaxies, il est nécessaire de comprendre comment les trous noirs supermassifs se forment et comment ils grandissent ainsi que les processus qui accompagnent leur manifestation sous forme de noyaux actifs de galaxies. La façon dont ils accrètent et absorbent de la matière est l'un des éléments de tous ces processus que les astrophysiciens veulent comprendre en construisant des modèles théoriques nourris et mis à l'épreuve par des observations.

C'est en suivant ce programme de recherche qu'une équipe internationale d'astrophysiciens étudiant la galaxie NGC 3147 à l'aide du télescope Hubble est tombée sur une surprise comme elle l'explique dans un article publié dans le journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : Letters, mais aussi en accès libre sur arXiv.

Une photo de la galaxie de Seyfert NGC 3147 prise par Hubble à gauche, avec son noyau central actif et lumineux. À droite, une vue d'artiste du trou noir supermassif de la galaxie et de son disque de rotation dans l'espace-temps.© Hubble Image : Nasa, ESA, S. Bianchi (Università degli Studi Roma Tre University), A. Laor (Technion-Israel Institute of Technology), M. Chiaberge (ESA, STScI, and JHU); illustration: Nasa, ESA, A. Feild and L. Hustak (STScI).

NGC 3147 est une galaxie de Seyfert située dans la constellation du Dragon à environ 130 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Elle a été découverte par l'astronome germano-britannique William Herschel, en 1785. Rappelons que les galaxies de Seyfert sont des galaxies spirales caractérisées par un noyau extrêmement brillant et compact formant un des deux groupes importants de galaxies actives. Le second étant celui des quasars qui sont des noyaux galactiques encore plus actifs et brillants.

Dans les deux cas, l'énergie produisant la luminosité des noyaux est tirée de l'accrétion de la matière par un trou noir de Kerr en rotation mais alors que celle-ci doit être très substantielle pour générer un quasar, elle est beaucoup plus importante dans le cas d'une galaxie de Seyfert. En ce qui concerne NGC 3147, qui est finalement de faible luminosité pour une galaxie de Seyfert, les théoriciens s'attendaient à ce que son trou noir supermassif central soit à la diète, si l'on peut dire, et qu'il ne soit donc pas entouré d'un disque d'accrétion car n'étant pas assez régulièrement alimenté en quantités suffisantes de matières (courants de gaz froids, étoiles etc...).

Un défi aux modèles d'accrétion des trous noirs supermassifs

Ce n'est pas ce qu'ont révélé les observations de Hubble menées en utilisant l'instrument STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph). Un disque d'accrétion mince était bel et bien présent dont les propriétés se sont avérées conformes à celles attendues par changement d'échelle à partir d'un modèle de disque entourant le trou noir supermassif d'un quasar.

Stefano Bianchi, de l'Università degli Studi Roma Tre en Italie,  l'un des principaux chercheurs impliqués dans la découverte en donne clairement la mesure quand il explique que « le type de disque que nous voyons est celui d'un quasar en réduction que nous ne pensions pas pouvoir exister. C'est le même type de disque que celui que nous voyons dans des objets 1.000, voire 100.000 fois plus lumineux. Les prédictions des modèles actuels pour les très faibles galaxies actives ont clairement échoué ».

En bonus, le disque semble offrir un excellent laboratoire pour tester non seulement la théorie de la relativité générale mais aussi la théorie de la relativité restreinte comme l'explique un autre astrophysicien impliqué dans le travail sur NGC 3147, Marco Chiaberge de l'Université Johns Hopkins (USA) : « Nous n'avons jamais vu les effets de la relativité générale et restreinte en lumière visible avec autant de clarté ».

On voit notamment un effet relativiste associé à des disques d'accrétion chauds (et donc lumineux) en rotation où l'effet Doppler non seulement produit un décalage spectral (vers le bleu et vers le rouge) mais modifie aussi la luminosité de sorte que la partie du disque qui s'éloigne de nous apparait moins lumineuse qu'elle n'est intrinsèquement et réciproquement. S'y ajoute l'effet du fort champ de gravitation du trou noir qui, avec une masse d'environ 250 millions de masses solaires (celui de la Voie lactée n'en contient que quatre millions), produit également un décalage spectral, uniquement vers le rouge dans le cas présent.

L'équipe d'astrophysicien espère utiliser Hubble pour rechercher d'autres disques très compacts autour de trous noirs de faible luminosité dans des galaxies actives similaires à l'avenir.

  • Les noyaux actifs de galaxies sont des trous noirs supermassifs qui sont lumineux du fait des quantités de matière qu'ils accrètent.
  • L'origine et la croissance de ces trous noirs sont encore énigmatiques or ils évoluent avec les grandes galaxies qui les abritent de sorte que l'on ne peut raisonnablement pas comprendre l'un sans l'autre.
  • L'étude du trou noir supermassif de la galaxie de Seyfert NGC 3147 à l'aide de Hubble s'est révélée surprenante.
  • Il ne devait pas être entouré d'un disque d'accrétion, version réduite de ceux observés autour des trous noirs derrière les fameux quasars.
  • Ce disque fournit un excellent laboratoire pour tester la théorie de la relativité générale mais aussi celle de la relativité restreinte.
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