Illustration d'un trou noir. © Alain Riazuelo, CC by-sa 2.5
Sciences

Un trou noir supermassif se cacherait dans une galaxie naine proche de la Voie lactée

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

C'est du jamais-vu et cela questionne les modèles de croissance des galaxies et des trous noirs supermassifs. La galaxie naine Leo I en orbite autour de la Voie lactée contiendrait en son centre un trou noir aussi massif que celui de notre Galaxie.

Vers la fin des années 1960, quelques chercheurs, dont Martin Rees mais surtout son collègue et compatriote l'astrophysicien britannique Donald Lynden-Bell, ont avancé que la majorité des grandes galaxies doivent héberger en leur centre des trous noirs supermassifs. C'est une thèse majoritairement acceptée depuis au moins 20 ans, même si une preuve définitive de la présence d'objets ayant bien un horizon des évènements conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale manque encore.

On s'est aperçu également qu'il existait très souvent une remarquable et constante relation de proportionnalité entre les masses des trous noirs supermassifs et les masses des galaxies les hébergeant, ce qui implique très probablement un mécanisme de croissance commun. Lorsque des galaxies comme la Voie lactée ou M87 étaient des galaxies naines, elles devaient donc contenir également des trous noirs certes massifs mais moins que ceux que l'on observe aujourd'hui dans leur cœur.

Les galaxies naines que l'on sait être en orbite autour d'Andromède et de la Voie lactée contiennent-elles aussi des trous noirs géants qui ne sont pas d'origine stellaire ? Une réponse existe aujourd'hui dans le cas de la galaxie du Lion I (Leo I). C'est une galaxie naine sphéroïdale qui fait partie de notre Groupe local et qui est située à environ 820.000 années-lumière de la Voie lactée.

Une équipe d'astrophysiciens utilisant les observations fournies par l'instrument appelé Virus-W sur le télescope Harlan J. Smith de 2,7 mètres, de l'observatoire McDonald, vient de publier un article à ce sujet dans The Astrophysical Journal. Il est en accès libre sur arXiv.

Un zoo sur la galaxie naine Leo I avec une image de la Voie lactée prise par Gaia. © ESA/Gaia/DPAC; SDSS

Un trou noir supermassif de 3,3 millions de masses solaires

La découverte d'un trou noir au cœur de Leo I surprend car il est presque aussi massif que celui de notre propre Galaxie qui contient environ 4 millions de masses solaires. Il ne s’agit donc pas d’un trou noir de masse intermédiaire. On n'avait encore jamais fait une découverte similaire.

Au départ, il s'agissait de mieux comprendre le contenu en matière noire de Leo I. Dans le cadre du modèle cosmologique standard dont l'un des pionniers est le prix Nobel de Physique James Peebles. Il devrait y avoir de nombreuses galaxies naines contenant de la matière noire en orbite autour des grandes galaxies comme la Voie lactée. Ce n'est pas le cas, l'étude de celles que nous connaissons peut nous apporter des renseignements sur la nature de la matière noire, dont il existe plusieurs modélisations, soit contribuer à réfuter son existence. Leo I rendait les astrophysiciens perplexes car elle semblait contenir moins de matière noire que ces cousines en orbite autour de la Voie lactée.

Les chercheurs ont donc combiné des données fournies par l'instrument Virus-W à des simulations sur ordinateurs pour déduire des mouvements des étoiles et mesuré la distribution et la quantité exacte de matière noire dans Leo I. Il s'est avéré en fait que les données impliquaient l'existence d'un trou noir supermassif central d'environ 3,3 millions de masses solaires dans la galaxie naine, ce qui contredit la loi habituelle de la relation entre la masse d'un trou noir géant et la masse de sa galaxie hôte.

Clairement, c'est une information de nature à faire évoluer les modèles de croissance de la taille des trous noirs supermassifs et bien sûr des galaxies. Elle peut par exemple impliquer que les trous noirs de plusieurs milliards de masses solaires sont le résultat de capture de galaxies naines qui fusionnent avec une grande galaxie, fusion qui s'accompagnerait de la coalescence de leurs trous noirs géants. On pense malgré tout aujourd'hui que le mécanisme principal de la croissance de ces trous noirs provient de l’accrétion de la matière de filaments froids.

En tout état de cause, on en saura plus quand on aura étudié plus attentivement d'autres galaxies naines satellites, ce que permettront précisément de faire de nombreuses galaxies naines de l'hémisphère sud qui sont de bonnes cibles pour le télescope géant Magellan (GMT) actuellement en construction au Chili, en partie conçu pour ce type de travail.  

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