Un trou noir de 10 millions de soleils retrouvé loin de sa galaxie : le détail qui a alerté les astronomes

Une ligne fine et parfaitement droite sur un cliché du télescope Hubble. Voilà le détail qui, à l’automne 2022, a mis la puce à l’oreille des astronomes de l’université Yale. Ce trait lumineux, long de 200 000 années-lumière, a fini par révéler l’un des objets les plus extrêmes jamais confirmés en astrophysique : un trou noir supermassif d’au moins 10 millions de masses solaires, éjecté de sa galaxie et filant dans l’espace intergalactique à plus de 950 kilomètres par seconde.

Pour la première fois, des astronomes ont confirmé l’existence d’un trou noir supermassif d’au moins 10 millions de fois la masse du Soleil, éjecté de sa galaxie hôte à une vitesse vertigineuse de 954 kilomètres par seconde, soit 0,32 % de la vitesse de la lumière. Un chiffre qui donne le vertige quand on sait que ces objets pèsent normalement l’équivalent de plusieurs millions d’étoiles comme la nôtre, et qu’ils restent d’ordinaire bien tranquilles au centre de leur galaxie. Pour comparer, le trou noir niché au cœur de la Voie lactée, Sagittarius A*, culmine autour de 4 millions de masses solaires. Celui-ci le dépasse largement, et surtout, il n’est plus chez lui.

Une simple traînée qui n’aurait pas dû exister

L’histoire commence de façon presque banale. En 2023, en analysant des images du télescope spatial Hubble d’un système galactique au redshift z ~ 0,96, l’astronome Pieter van Dokkum et son équipe ont remarqué une caractéristique linéaire particulière, un trait fin et collimaté s’étendant sur environ 62 kiloparsecs, initialement écarté par certains comme un artefact de rayon cosmique ou une rayure sur le détecteur, mais qui a persisté à travers plusieurs filtres. Ce n’était pas un défaut technique. C’était bien réel.

Les premières analyses spectroscopiques ont levé le doute. Les scientifiques ont d’abord écarté cette ligne comme un artefact d’imagerie des caméras de Hubble, mais des observations spectroscopiques de suivi ont révélé qu’il s’agissait en réalité d’une chaîne d’étoiles bleues jeunes longue de 200 000 années-lumière, menant jusqu’à la galaxie visible en haut à droite. Une traînée d’étoiles fraîchement formées, sans galaxie visible à son extrémité. L’hypothèse la plus folle s’imposait alors : un trou noir supermassif traversant littéralement l’espace, compressant le gaz sur son passage et déclenchant, comme par ricochet, la naissance de nouvelles étoiles. Baptisé RBH-1, pour Runaway Black Hole 1, l’objet trône dans la galaxie du Hibou cosmique, à environ 8,8 milliards d’années-lumière de la Terre.

Le choc supersonique qui a tout confirmé

Restait à prouver que ce trait n’était pas un vestige d’une galaxie déchirée par les marées, comme certains chercheurs le suggéraient. C’est là que le télescope James-Webb est entré en scène, trois ans plus tard. Les observations de suivi avec l’instrument NIRSpec du James Webb ont résolu un gradient de vitesse spectrale d’environ 600 km/s sur environ un kiloparsec à la tête de la traînée, signature d’un choc d’étrave supersonique.

Concrètement, la matière ne se comportait pas de la même façon des deux côtés de la pointe de la traînée. Les résultats ont révélé une différence de vitesse soudaine et significative, la matière située en aval de l’onde de choc se déplaçant à une vitesse supérieure de 600 km/s à celle observée en amont, tandis que le gaz entourant les bords extérieurs de l’onde de choc était fortement décalé vers le rouge, signe qu’il s’éloignait de nous. Une signature typique d’un objet massif fonçant plus vite que le son cosmique à travers le gaz environnant, exactement comme la vague qui se forme devant l’étrave d’un navire. Les chercheurs eux-mêmes ne cachent pas leur enthousiasme face à la solidité du résultat : « l’évidence d’un choc d’étrave supersonique à la tête de RBH-1 est très forte, à la limite de l’écrasant », écrivent-ils.

Une fusion violente, il y a 70 millions d’années

Reste la question qui taraude tous les astrophysiciens : comment un objet aussi massif se retrouve-t-il éjecté de son propre foyer galactique ? Une équipe de l’université de Californie à Santa Barbara et de l’université du Texas à Austin s’est penchée sur cette énigme, publiant ses conclusions dans Physical Review Letters. Leur étude suggère que le trou noir a pu être propulsé dans l’espace par la fusion de deux trous noirs supermassifs.

Le mécanisme en cause porte un nom : le recul par ondes gravitationnelles. Lorsque deux trous noirs supermassifs fusionnent, l’émission d’ondes gravitationnelles peut être asymétrique, produisant un effet de recul comparable à celui d’une arme à feu. La relativité générale prédit que 5 à 10 % de ces fusions devraient donner au trou noir résultant un coup de pouce important, mais c’est la première fois que les scientifiques observent un objet qui correspond à ce scénario. Les calculs les plus récents permettent même de remonter le fil de l’événement originel. Avec une vitesse déduite de 954 km/s, le trou noir aurait vraisemblablement été éjecté d’une galaxie compacte formant des étoiles, et les chercheurs ont combiné cette vitesse de recul mesurée avec les prédictions de relativité numérique pour contraindre le rapport de masse et la configuration de spin du système binaire progéniteur, qui aurait fusionné il y a environ 70 millions d’années.

Le plus déroutant, c’est peut-être ce que RBH-1 laisse derrière lui. En traversant le milieu circumgalactique, il ne se contente pas de foncer droit devant : il sème la vie sur son passage. Dans son sillage, le gaz s’accumule, se refroidit et s’effondre, formant des étoiles loin de toute galaxie, un processus qui a créé, sur des dizaines de millions d’années, l’équivalent de 100 millions de masses solaires d’étoiles. Un phénomène que personne n’avait vraiment anticipé, et qui ouvre une piste nouvelle pour traquer d’autres fugitifs cosmiques du même genre. Car si Hubble a repéré celui-ci presque par hasard, combien d’autres traînées discrètes, prises jusqu’ici pour de simples défauts d’image, attendent encore d’être identifiées dans les archives des grands télescopes ?

Source : sciencepost.fr