Trois trous noirs supermassifs actifs, dans la même galaxie, au même moment. C’est la découverte que vient de publier une équipe internationale dirigée par l’Institut Max-Planck de physique extraterrestre (MPE), grâce au télescope spatial James-Webb. La galaxie en question, baptisée J0148-4214, se situe à plus de 12,5 milliards d’années-lumière de la Terre. Nous observons ce système tel qu’il était environ 1,2 milliard d’années seulement après le Big Bang. Une preuve inédite, qui vient bousculer l’idée classique d’un unique trou noir géant trônant au centre de chaque galaxie.
À retenir
- Comment les astronomes ont-ils pu identifier trois trous noirs distincts là où les télescopes précédents ne voyaient qu’une seule source lumineuse floue ?
- Pourquoi ces trois monstres cosmiques présentent des différences si frappantes de masse et de comportement ?
- Quel scénario de collision galactique pourrait expliquer la présence d’un trio aussi compact et actif simultanément ?
Une signature lumineuse impossible à ignorer
Des observations du JWST, réalisées par une équipe internationale d’astronomes dirigée par l’Institut Max-Planck de physique extraterrestre, ont identifié trois trous noirs supermassifs en phase d’accrétion active dans la galaxie J0148-4214. Repérer un seul trou noir supermassif relève déjà de l’exploit à cette distance. En trouver trois, actifs simultanément, tient presque du miracle observationnel. La détection de ces systèmes est difficile, car les trous noirs supermassifs sont compacts et, lorsqu’ils sont inactifs, ils n’émettent pratiquement aucun rayonnement. Même lorsqu’ils sont actifs, leurs signaux peuvent se confondre avec la luminosité de la région centrale de la galaxie, ce qui complique l’identification distincte des différentes sources.
Pour démêler ce nœud lumineux, les chercheurs ont eu recours à une méthode fine baptisée spectro-astrométrie. Un spectre classique de J0148-4214 obtenu avec n’importe quel télescope précédent aurait capté la lumière totale de la galaxie et produit un seul profil d’émission d’hydrogène asymétrique, interprétable comme un unique trou noir avec une région de raies larges inhabituelle. Or l’asymétrie du profil spectral central contenait en réalité deux signaux superposés provenant de deux trous noirs distincts, aux masses et vitesses différentes. L’équipe a isolé des canaux de longueurs d’onde étroits dominés par chaque composante, construit des cartes spatiales de l’origine de la lumière, puis ajusté des fonctions gaussiennes bidimensionnelles pour mesurer les centroïdes de chaque source. Un travail de dentelle qui a permis de trancher là où les instruments précédents ne voyaient qu’une seule tache floue.
La signature révélatrice, c’est l’émission Hα élargie, un signal typique du gaz tourbillonnant à très grande vitesse autour d’un trou noir en train de s’alimenter. Les trous noirs sont révélés par une émission Hα large (FWHM = 430 à 2920 km/s) sans contrepartie dans le doublet interdit et brillant [O III], précisent les auteurs. Trois signatures, trois vitesses, trois positions distinctes : la preuve était là.
Trois monstres, trois gabarits très différents
Le trio n’a rien d’homogène. Deux des trous noirs se trouvent dans la région centrale de la galaxie et ne sont séparés que de 620 années-lumière. Le troisième trou noir se situe, lui, à l’extérieur de la galaxie, à environ 5 500 années-lumière du centre. Pour donner une idée de l’échelle : 620 années-lumière, c’est à peu près la distance qui nous sépare de l’étoile Deneb dans notre propre ciel nocturne, une broutille cosmique comparée aux dizaines de milliers d’années-lumière que couvre généralement une galaxie.
Côté masse, l’écart est frappant. Les vitesses de la matière sous forme d’hydrogène proche de ces trous noirs, causées par leurs champs de gravitation, indiquent que les trois trous noirs géants possèdent respectivement des masses d’environ 80 millions, 600 000 et 2 millions de masses solaires. Le plus imposant pèse donc quarante fois plus lourd que le plus léger du groupe. Et ce dernier ne se contente pas de grignoter tranquillement sa pitance : le moins massif du groupe absorbe notamment du gaz à un rythme supérieur à la limite d’Eddington, seuil au-delà duquel le rayonnement repousse normalement la matière. Un appétit démesuré, presque suicidaire selon les lois habituelles de la physique stellaire, mais qui pourrait bien être la clé du mystère.
Ce que ce trio raconte sur la naissance des trous noirs géants
Comment un trou noir peut-il atteindre le milliard de masses solaires alors que l’univers n’a même pas atteint son premier milliard et demi d’années d’existence ? La question hante les astrophysiciens depuis la découverte des premiers quasars. À partir d’une graine plausible de masse stellaire, il n’y a tout simplement pas assez de temps pour construire un objet d’un milliard de masses solaires par accrétion continue seule avant l’apparition des premiers quasars observés. La croissance portée par les fusions offre une voie plus rapide : quand deux galaxies entrent en collision et que leurs trous noirs finissent par fusionner, le résultat est un objet unique dont la masse est la somme de ses progéniteurs, une croissance quasiment instantanée à l’échelle cosmologique.
J0148-4214 offre justement le terrain d’observation idéal pour ce scénario. Elle observe directement les conditions nécessaires pour que cela se produise : un environnement d’univers primitif suffisamment turbulent, riche en fusions et compact. Reste une incertitude de taille sur le trou noir périphérique : a-t-il été éjecté par l’interaction gravitationnelle des deux autres ? Le troisième trou noir de J0148-4214 pourrait avoir été expulsé par les deux autres, mais aucun instrument actuel ne peut déterminer sa direction. C’est là que la mission spatiale européenne LISA entre en jeu. L’Agence spatiale européenne compte sur son détecteur d’ondes gravitationnelles LISA pour trancher au milieu des années 2030.
Ce n’est pas la première fois que des astronomes croisent plusieurs trous noirs géants dans un même système. En 2007, une équipe de Caltech avait déjà repéré un trio de quasars actifs, mais bien plus proche de nous, à 10,5 milliards d’années-lumière, et bien plus large : les trois objets y étaient séparés d’environ 100 000 à 150 000 années-lumière, soit la largeur de notre propre Voie lactée. La galaxie NGC 6240, elle, à seulement 300 millions d’années-lumière, avait révélé un troisième trou noir caché dans ce qu’on croyait être une simple fusion à deux. Ce qui distingue J0148-4214, c’est la compacité extrême du trio (moins de 6 000 années-lumière séparent les extrêmes) et le fait que les trois soient allumés en même temps, à une époque où l’univers commençait tout juste à sortir de ses langes.
Sources : phonandroid.com | clubic.com