Un groupe d’astronomes a identifié trois trous noirs massifs et actifs, accrétant de la matière, dans une même galaxie située à plus de 12,5 milliards d’années-lumière de la Terre. Deux d’entre eux étaient proches l’un de l’autre et regroupés au centre de la galaxie, tandis que le troisième se trouve à sa périphérie. Il s’agit de la première preuve observationnelle de trois trous noirs massifs et actifs dans une même galaxie de l’Univers primitif.
La croissance des trous noirs supermassifs peut se produire selon deux processus distincts : l’accrétion de matière et la fusion de trous noirs plus petits. La croissance par accrétion de matière est considérée comme le principal mécanisme de croissance des trous noirs.
Cependant, certains atteignent des masses très élevées (plusieurs dizaines de milliards de masses solaires) que la seule accrétion de matière ne pourrait expliquer entièrement, en particulier à l’époque de l’Univers primitif. Il est ainsi suggéré que les trous noirs supermassifs atteignant une certaine masse se sont formés par le biais de la fusion d’autres trous noirs plus petits.
Les fusions de trous noirs massifs peuvent notamment être déclenchées par la fusion de leurs galaxies hôtes. Les théories de l’évolution des galaxies suggèrent notamment qu’au début de l’Univers, les galaxies se sont rapprochées et ont fusionné, entraînant ainsi la réunion des trous noirs supermassifs présents en leur centre.
Certains modèles suggèrent également que la croissance rapide des trous noirs dans l’Univers primitif pourrait être en partie attribuée aux fusions de trous noirs. Les résultats d’une récente étude codirigée par l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE), en Allemagne, renforcent cette hypothèse en rapportant la première observation d’un trio de trous noirs massifs dans une galaxie primitive.
« Il s’agit de la première preuve de l’existence de trois trous noirs actifs dans une seule galaxie de l’univers lointain », indique dans un communiqué Hannah Übler, responsable du groupe de recherche au MPE et auteure principale de l’étude.
Deux trous noirs centraux et un à la périphérie
Le trio de trous noirs est regroupé dans la galaxie J0148-4214, située à plus de 12,5 milliards d’années-lumière. L’estimation de cette distance a été obtenue par le décalage vers le rouge de la galaxie, qui est de z = 5,02. Plus un objet est éloigné, plus il est décalé vers le rouge et semble s’éloigner en raison de l’expansion de l’Univers. Compte tenu de sa distance, les images obtenues de la galaxie la montrent donc telle qu’elle apparaissait seulement 1,2 milliard d’années après le Big Bang.
Pour identifier les trous noirs, les chercheurs ont utilisé les signatures spectrales, plus précisément les signatures d’atomes d’hydrogène se déplaçant à grande vitesse grâce au potentiel gravitationnel des trous noirs. Dans la région centrale de la galaxie, le spectre présentait une structure complexe qui s’expliquerait par la présence de deux trous noirs très proches l’un de l’autre.
Pour distinguer les deux sources, l’équipe a utilisé la spectroastrométrie, en s’appuyant notamment sur la cartographie des canaux d’émission de l’hydrogène. Cela a permis de déterminer l’emplacement des trous noirs. Un troisième trou noir a été détecté dans la région périphérique de la galaxie.
Les analyses, détaillées dans la revue Astronomy & Astrophysics, indiquent que les deux trous noirs centraux sont distants l’un de l’autre de seulement 620 années-lumière en projection. Le troisième, quant à lui, se trouverait à environ 5 500 années-lumière du centre galactique.
« Cela suggère que les processus de l’Univers primordial ont été efficaces pour rapprocher les trous noirs massifs, préparant ainsi le terrain pour les fusions de trous noirs massifs que nous espérons détecter grâce aux futurs observatoires d’ondes gravitationnelles », explique Übler.
Carte de la galaxie lointaine J0148-4214 en hydrogène ionisé (Hα). Les trois trous noirs supermassifs sont indiqués par des cercles noirs (échelle non respectée). Le trou noir le plus massif et le moins massif se situent au centre de la galaxie ; un troisième trou noir se trouve à sa périphérie. © Hannah Übler
Un « appétit » au-delà de la limite d’Eddington
Les masses des trois trous noirs sont estimées à environ 80 millions, 600 000 et 2 millions de masses solaires, respectivement. Le plus massif accrète de la matière à un rythme inférieur à celui de son trou noir voisin, qui est d’une masse de 600 000 masses solaires.
Le taux d’accrétion de ce trou noir correspondrait à un régime supérieur à la limite d’Eddington, la limite théorique de référence. La galaxie présenterait en outre une masse stellaire d’environ 1,3 milliard de masses solaires, les masses estimées des trous noirs représentant une fraction importante de cette masse.
D’après les chercheurs, les deux trous noirs centraux pourraient fusionner à terme, avec un temps de friction dynamique de l’ordre de centaines de millions d’années. « Ces résultats sont extrêmement prometteurs », souligne Roberto Maiolino, professeur à l’université de Cambridge et co-auteur de l’étude. « Ils suggèrent que la fusion de trous noirs pourrait constituer une voie supplémentaire et rapide pour leur croissance dans l’Univers primordial.»
Le troisième trou noir pourrait, selon l’un des scénarios envisagés par les auteurs, être le vestige d’une fusion galactique antérieure et avoir été déplacé du centre par un recul gravitationnel. Il serait également possible qu’il soit en train de migrer vers le centre et de fusionner avec les deux autres.
