Le mystère d’un trou noir géant dans une minuscule galaxie

Cet article a été initialement publié par Quanta Magazine.

En 2008, Marta Volonteri a aidé à développer une proposition radicale : les astronomes devraient rechercher dans la plus petite des galaxies des trous noirs colossaux, des mastodontes pesant plusieurs milliers de masses solaires. S’ils pouvaient les trouver, raisonna-t-elle, les objets pourraient nous apprendre comment les tout premiers trous noirs de l’univers se sont formés.

Le seul problème était que les gros trous noirs n’étaient pas censés exister dans les petites galaxies. Les galaxies “naines” crevette semblaient manquer du muscle gravitationnel nécessaire pour emballer suffisamment de masse dans un trou noir. Pour de nombreux chercheurs, cela sonnait comme si Volonteri et ses collaborateurs suggéraient l’équivalent astrophysique de trouver un brontosaure dans une baignoire.

“Les trous noirs dans les galaxies naines n’étaient pas concevables”, déclare Volonteri, maintenant à l’Institut d’astrophysique du CNRS à Paris.

Ensuite, les astronomes ont commencé à trouver les bêtes. Ces dernières années, de puissants télescopes et des stratégies d’observation innovantes ont permis aux chercheurs d’examiner de plus près les galaxies naines. Quand ils le font, des trous noirs apparaissent. Les découvertes mettent en évidence le peu de connaissances des astrophysiciens sur les types de trous noirs qui habitent l’univers et les défis auxquels les théoriciens sont confrontés pour expliquer d’où ils viennent tous. Un décompte de plus en plus précis pourrait aider à enfin expliquer les premiers et les plus grands trous noirs de l’univers.

“Les gens continuent d’en trouver de plus en plus”, explique Ryan Hickox, un astronome du Dartmouth College qui a récemment aidé à en localiser un lui-même. “Il peut y avoir beaucoup plus de ces choses dans ces galaxies que ce que nous pourrions trouver en utilisant les techniques traditionnelles.”


Les galaxies naines sont un territoire astronomique relativement inexploré. Dix à 100 fois plus légères que la Voie lactée, elles n’ont pas le moxie gravitationnel pour se tirer dans les formes rondes bien rangées propices à la théorisation. Ils sont également inégaux, sombres et généralement difficiles à étudier en détail. “Ils sont un gâchis total”, dit Volonteri.

Mais les minuscules enchevêtrements d’étoiles recèlent des secrets que les grandes galaxies ont oubliés. Les chercheurs pensent que les galaxies comme la Voie lactée sont les produits disparates de plus de 10 milliards d’années de mash-ups, au cours desquels les galaxies s’écrasent à plusieurs reprises sur leurs voisines, grossissant à chaque fois. Les galaxies naines restent petites soit parce qu’elles ont esquivé les rencontres avec d’autres galaxies, soit parce qu’elles se sont formées relativement récemment et n’ont pas encore eu beaucoup de chances de se heurter. “Ce sont des endroits plus calmes dans l’univers”, explique Priyamvada Natarajan, un astrophysicien de l’Université de Yale qui a travaillé avec Volonteri sur la recherche (et qui est actuellement membre de Quantaconseil consultatif de).

De cette façon, les galaxies naines ressemblent aux premières galaxies. Au cours du premier milliard d’années de l’univers, alors que les galaxies commençaient à peine, elles ont forgé les premières étoiles et les premiers trous noirs. Beaucoup de ces galaxies sont entrées en collision au fil du temps et leurs trous noirs ont fusionné. Grâce à un mélange de fusions et d’engloutissement de matière, les premiers trous noirs “graines” se sont transformés en monstres dotés de milliards de masses solaires qui semblent se trouver au cœur de chaque grande galaxie aujourd’hui.

Mais les galaxies naines n’ont pas connu beaucoup de fusions et ont tendance à avoir moins de matière pour alimenter leurs trous noirs. Ces conditions uniques seraient plus susceptibles de geler des trous noirs dans des états relativement peu développés, semblables à des graines, ont expliqué Volonteri et Natarajan. Si, c’est-à-dire, les galaxies naines avaient de grands trous noirs.

Les astronomes repèrent généralement les trous noirs qui s’alimentent activement au centre des grandes galaxies grâce aux jets d’une luminosité aveuglante qu’ils émettent, qui noient les étoiles environnantes. Mais au moment de la proposition de Volonteri et Natarajan, les chercheurs n’avaient pas vu de signes clairs de telles frénésies alimentaires dans les galaxies naines. De nombreux astronomes ont mis en doute l’existence des objets.

Puis, en 2013, des chercheurs ont découvert le filon mère.

Amy Reines, astrophysicienne maintenant à la Montana State University, a mené une analyse des données du Sloan Digital Sky Survey, à la recherche de modèles énergétiques de lumière visible typiques des trous noirs en fête. Sur les quelque 25 000 galaxies naines parcourues par son algorithme, 151 ont montré des signes d’hébergement de trous noirs croissants de centaines de milliers de masses solaires. Il s’agissait de candidats non confirmés, mais leur nombre laissait peu de place au doute : les galaxies naines pourraient sculpter des trous noirs massifs.

Du coup, la proposition de Volonteri parut moins radicale. « J’ai dit : ‘Merci, Amy. Vous me faites sentir que je suis une personne raisonnable », se souvient-elle.


Maintenant, les astronomes ont trouvé de nouvelles façons de trouver plus de ces géants cachés.

Mallory Molina, un astronome collaborant avec Reines à Montana State, est tombé sur une nouvelle technique par pure chance. En essayant de confirmer l’un des candidats de Reines à partir d’un sondage radio, Molina a remarqué une lueur orange particulière. Le rayonnement était un signe révélateur d’atomes de fer qui avaient été tellement endommagés qu’ils avaient perdu neuf électrons – la ligne dite Fe X (ou “Fer 10”). Les chercheurs ont vérifié un autre candidat et ont trouvé le même trait. Bien qu’aucun des deux objets n’ait l’apparence traditionnelle d’un trou noir qui se nourrit, il était difficile d’imaginer quoi d’autre pouvait faire une telle violence aux atomes de fer.

Molina a écrit un code pour rechercher parmi environ 46 000 galaxies naines observées par le Sloan Digital Sky Survey et a découvert que 81 galaxies scintillaient de l’orange pâle du fer endommagé. Molina et leurs collègues affirment que dans ces galaxies naines, un trou noir géant chauffe suffisamment le gaz qui l’entoure pour faire exploser les électrons de leurs atomes. Ils ont publié leurs découvertes dans Le Journal Astrophysique en novembre.

Ces trous noirs occupent des galaxies au-delà de la portée des enquêtes précédentes, qui avaient du mal à distinguer la lueur des trous noirs actifs contre l’éclat éblouissant des bébés étoiles. (Molina compare l’effort à la recherche d’une lampe de poche tandis qu’un projecteur brille dans vos yeux.) La couleur distincte de la ligne Fe X fait apparaître de grands trous noirs sur le fond, montrant que des naines plus petites avec beaucoup de pépinières stellaires peuvent également héberger des géants. trous noirs.

“Je suis tellement content de voir qu’il existe de nouvelles façons de trouver des trous noirs”, déclare Volonteri, qui n’a pas participé à la recherche. « Ils sont si faibles. C’est pourquoi c’était si désespéré.

Les télescopes spatiaux ont également aidé à révéler des trous noirs cachés. L’année dernière, Hickox et son étudiant Jack Parker ont réexaminé huit cas limites relativement proches de l’enquête de 2013 de Reines. Ils ont dirigé l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA vers chaque galaxie naine pendant environ quatre heures. L’une des huit galaxies avait une tache en son centre qui brillait plus avec des rayons X à haute énergie qu’avec des rayons X à basse énergie, suggérant que le rayonnement traversait un nuage de gaz dense – exactement le genre de nuage qui pourrait être masquant complètement les trous noirs dans les galaxies plus lointaines. Ils ont décrit leurs résultats lors d’une conférence de l’American Astronomical Society en janvier et les préparent pour publication.

Alors que les résultats augmentent les chances que de nombreuses galaxies naines aient des trous noirs massifs, la fraction qui les possède reste vivement débattue. En 2008, les astronomes auraient dit que la fraction était proche de zéro. Le vrai nombre dépend du pourcentage de trous noirs qui se nourrissent activement (et donc brillent) et du pourcentage de trous noirs brillants qui sont enveloppés de gaz et de poussière. Si ces pourcentages sont similaires à ceux observés chez leurs frères et sœurs supermassifs (ce qui est actuellement un grand si), des trous noirs massifs pourraient résider dans la majorité des galaxies naines.

“Cet argument selon lequel ils ne sont pas si courants commence peut-être à s’effondrer”, déclare Hickox.


Lorsque Volonteri a exhorté pour la première fois les astronomes à déterminer à quel point les trous noirs des galaxies naines étaient courants en 2008, elle l’a fait parce que la réponse pourrait aider à distinguer deux explications pour une découverte apparemment impossible.

Quelques années auparavant, le Sloan Digital Sky Survey avait observé des trous noirs d’un milliard de masse solaire remontant au premier milliard d’années de l’univers. Les astronomes ne pouvaient pas comprendre comment ils étaient devenus si lourds si rapidement. C’était comme rencontrer un peuplement de séquoias imposants sur une île volcanique encore fumante. Soit ils avaient poussé incroyablement vite, soit ils étaient déjà en partie adultes.

La découverte a stimulé la recherche explorant les deux possibilités. Certains astrophysiciens ont développé des théories d’environnements extra-gazeux qui permettraient aux trous noirs à petites graines – les cadavres des premières étoiles – de connaître des poussées de croissance soutenues. D’autres ont détaillé les façons dont des circonstances spéciales pourraient amener des boules de gaz géantes à sauter la célébrité et à s’effondrer directement en une grosse graine, commençant la vie comme un trou noir pesant déjà des milliers de masses stellaires.

La théorie des grosses graines a gagné en popularité, en partie parce que les trous noirs des galaxies naines semblaient si rares, ce qui soutenait l’idée qu’un événement spécial serait nécessaire pour relancer la croissance. Désormais, certains astronomes se demandent si la vague de nouveaux trous noirs ravive en partie la notion de petites graines.

“Cela implique en quelque sorte que l’effondrement direct n’est peut-être pas la fin en soi de la formation de la première génération de trous noirs”, déclare Molina.

Mais des travaux récents ont compliqué le débat. Natarajan a découvert que le cosmos pouvait produire à la fois de grandes et de petites graines tout au long de son histoire. Néanmoins, elle qualifie les nouvelles observations de “super utiles” pour découvrir des groupes de trous noirs négligés dont les théories de la formation devront tenir compte.

“Nous avons un recensement incomplet des trous noirs”, dit-elle. “Le truc des rayons X est vraiment utile pour nous aider à découvrir la population obscure.”

La prochaine grande pièce du puzzle proviendra du télescope spatial James Webb, lancé en décembre. La vue perçante de l’instrument devrait repérer l’éclat des trous noirs d’encore plus loin dans le passé, donnant aux astronomes une vue plus directe de ce qui s’est passé dans l’univers primitif peu de temps après la formation des premières graines de trous noirs – une perspective que certains chercheurs ont anticipée pour toute leur carrière.

En 2003, alors que Volonteri terminait son doctorat sur les théories de la formation des trous noirs, son conseiller lui a dit que “très bientôt JWST volera, et nous pourrons prouver que vos théories sont bonnes ou mauvaises”, se souvient Volonteri. “J’ai eu beaucoup d’espoir depuis lors.”

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