La masse de ce mastodonte cosmique est estimée à environ 30 milliards de fois celle du Soleil ! Situé à quelque 2,7 milliards d’années-lumière de notre planète, au cœur d’une galaxie de l’amas Abell 1201, ce trou noir supermassif « dormant » a été découvert grâce à l’effet de lentille gravitationnelle, couplé à des simulations informatiques. Les chercheurs à l’origine de cette découverte pensent que la masse de milliers d’autres trous noirs supermassifs pourrait être déterminée grâce à cette méthode.
Les trous noirs supermassifs sont un catalyseur clé de la formation et de l’évolution des galaxies : il existe par conséquent une corrélation entre leur masse et la dispersion de la vitesse de leur galaxie hôte, expliquent les chercheurs. Mais en dehors de l’Univers local, les mesures de masse ne sont possibles que pour les trous noirs supermassifs actifs, « ce qui limite la taille de l’échantillon et introduit des biais de sélection », soulignent-ils. Grâce à l’effet de lentille gravitationnelle, une équipe d’astronomes, dirigée par le Dr James Nightingale de l’Université de Durham, est parvenue pour la première fois à mesurer la masse d’un immense trou noir non actif.
Pour rappel, l’effet de lentille gravitationnelle se produit lorsqu’un corps céleste très massif (tel qu’un amas de galaxies) se situe entre une source lumineuse lointaine et l’observateur : le champ gravitationnel de ce corps dévie les rayons lumineux qui passent à proximité, ce qui amplifie (et déforme) l’image perçue par l’observateur. À l’aide de simulations numériques, effectuées grâce aux supercalculateurs de l’installation DiRAC, l’équipe a examiné comment la lumière serait déviée par un trou noir situé à l’intérieur d’une galaxie localisée à des centaines de millions d’années-lumière de la Terre.
Un trou noir situé à la « limite théorique »
Chaque simulation impliquait un trou noir de masse différente. Lorsqu’ils ont testé l’effet produit par un trou noir « ultramassif », de plus de 30 milliards de masses solaires, ils ont constaté que le chemin emprunté par la lumière depuis la galaxie lointaine jusqu’à la Terre correspondait exactement à celui observé dans des images réelles du centre de l’amas galactique Abell 1201, capturées par le télescope Hubble. C’est ainsi que l’équipe a découvert un trou noir ultramassif dans cette galaxie ; il s’agit du premier trou noir découvert grâce à l’effet de lentille gravitationnelle.
« Ce trou noir particulier, dont la masse est environ 30 milliards de fois supérieure à celle de notre soleil, est l’un des plus gros jamais détectés et se situe à la limite supérieure de la taille que les trous noirs peuvent théoriquement atteindre », a déclaré au Guardian James Nightingale, chercheur au département de physique de l’Université de Durham et auteur principal de l’étude rapportant la découverte. « Même en tant qu’astronome, j’ai du mal à concevoir à quel point cette chose est grande », a-t-il confié à la BBC.
Cette découverte est exceptionnelle. La plupart des trous noirs les plus massifs connus à ce jour sont « actifs », ce qui signifie qu’ils attirent toute la matière située à proximité, qui s’échauffe et libère de l’énergie sous forme de lumière, de rayons X et d’autres radiations. Ce sont ces rayonnements intenses qui trahissent leur présence. À l’inverse, les trous noirs dits « dormants » ou inactifs n’émettent pas de hauts niveaux de rayons X et interagissent très peu avec leur environnement, ce qui les rend difficilement détectables.
Nightingale et ses collaborateurs ont donc trouvé un moyen de dénicher ces trous noirs inactifs dans les galaxies lointaines. Cette approche pourrait permettre aux astronomes de découvrir beaucoup plus de trous noirs inactifs et ultramassifs au-delà de notre univers local.
Comprendre l’origine de ces monstres cosmiques
L’histoire de cette découverte particulière a commencé en 2004, lorsqu’un collègue de Nightingale, le professeur Alastair Edge, a remarqué un arc lumineux géant d’une lentille gravitationnelle lors de l’examen d’images d’un relevé de galaxies, précise un communiqué de la Royal Astronomical Society. Quelque 19 ans plus tard, à l’aide d’images à très haute résolution du télescope Hubble et des installations du supercalculateur DiRAC de l’Université de Durham, Nightingale et son équipe ont exploré plus avant ce relevé.
Les trous noirs ultramassifs sont les objets les plus massifs de l’Univers ; leur masse est comprise entre 10 et 40 milliards de masses solaires. Pour comparaison, la masse du trou noir supermassif Sgr A* situé au centre de la Voie lactée est estimée à environ 4,152 millions de masses solaires. Les trous noirs ultramassifs sont rares et leurs origines restent à éclaircir. Certains astronomes pensent qu’ils résultent de la fusion de galaxies très massives, il y a des milliards d’années, à l’aube de l’Univers.
L’équipe espère que cette recherche constituera la première étape d’une exploration plus approfondie des mystères des trous noirs. Le succès de la méthode mise en œuvre suggère que les relevés de la prochaine décennie pourraient conduire à des milliers d’autres masses de trous noirs supermassifs.
La découverte d’autres trous noirs de ce type, encore plus éloignés dans le temps cosmique, pourrait aider à comprendre comment ces objets exotiques sont apparus et surtout, comment ils ont évolué pour devenir si grands.
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