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Située à environ 10 millions d’années-lumière de la Terre, une étrange galaxie naine connue sous le nom de fantôme de Mirach pourrait aider les scientifiques à élucider un mystère tenace : d’où proviennent les trous noirs les plus massifs de l’Univers ?

De véritables monstres cosmiques

Un trou noir est une singularité gravitationnelle, une région de l’espace-temps où la matière est devenue trop dense pour se maintenir, s’effondre continuellement sur elle-même en un point informe. Les trous noirs supermassifs (SMBH) s’apparentent quant à eux à de véritables monstres cosmiques, pesant souvent des milliards de masses solaires. Localisés au centre des grandes galaxies, ceux-ci aspirent des quantités phénoménales de matière grâce à leur gravité gigantesque et sont même capables de disloquer les étoiles proches, mais de nombreuses zones d’ombre subsistent encore concernant la formation de ces objets ultra-massifs.

À l’heure actuelle, deux hypothèses sont privilégiées par les physiciens pour expliquer leur origine. La première implique que les SMBH soient d’anciennes composantes de l’Univers, c’est-à-dire des objets s’étant directement effondrés à partir de la masse chaude s’étant répandue dans l’espace après le Big Bang. Tandis que la seconde suggère qu’ils se seraient formés comme tous les autres types de trous noirs de l’Univers : à la suite de l’explosion d’étoiles mourantes.

Si cette dernière se révélait correcte, cela sous-entendrait que les SMBH auraient progressivement gagné en masse à l’échelle de milliards d’années, en engloutissant de la matière (étoiles, nuages de gaz…).

Un trou noir supermassif de moins de 500 000 masses solaires

« Dans les deux cas, le problème reste que la plupart des trous noirs ont connu une croissance importante depuis leur naissance, en avalant les nuages de gaz et de poussière tournoyant autour d’eux », explique Timothy Davis, astrophysicien à l’université de Cardiff et auteur principal de cette nouvelle étude parue dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. « Ce qui les a rendus plus lourds et complique l’estimation de leur masse de départ. »

Davis et ses collègues se sont donc concentrés sur les plus petits SMBH qu’il était possible de trouver, « n’ayant pas eu la chance de consommer de grandes quantités de matière par le passé et se révélant par conséquent proches de ce à quoi devaient ressembler les SMBH lors de leur formation ». L’équipe a finalement jeté son dévolu sur le SMBH se trouvant au centre de la galaxie naine NGC 404 (plus connue sous le nom de fantôme de Mirach en raison de sa proximité avec l’étoile du même nom, lui donnant une apparence vaporeuse rappelant celle d’un spectre) et a employé une nouvelle approche afin de déterminer sa masse.

Les chercheurs se sont appuyés sur les données du radiotélescope géant ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), au Chili, afin de mesurer la vitesse du monoxyde de carbone gazeux lorsqu’il tourbillonnait en direction de ce trou noir supermassif. « Tout comme le tourbillon créé lorsque vous videz votre baignoire, ce gaz va de plus en plus vite à l’approche d’un trou noir », expliquent les auteurs de l’étude.

Grâce aux images très détaillées de l’ALMA (d’une résolution d’1,5 années-lumière), l’équipe a pu estimer précisément la vitesse du tourbillon, qui lui a ensuite permis de déterminer la masse du trou noir. Et il s’est avéré que cet objet cosmique très éloigné possédait une masse inférieure à un million de masses solaires – un bébé selon les critères définissant les SMBH – et qu’il pesait vraisemblablement moins de 500 000 masses solaires au moment de sa naissance.

À gauche : le fantôme de Mirach vu par le télescope spatial Hubble. À droite : les données de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) révélant des détails sans précédent concernant le gaz tourbillonnant dans cette même région.

Des travaux mettant en évidence les limites des modèles actuels

Si cela ne prouve pas que l’une ou l’autre des hypothèses relatives à l’origine des trous noirs supermassifs soit correcte, les scientifiques estiment que ces résultats font sensiblement pencher la balance contre le modèle d’effondrement direct, en excluant entièrement les versions plus extrêmes de la théorie, qui ne prévoient pas la formation d’objets aussi petits. Cependant, d’autres observations ont montré que de très grands trous noirs avaient existé sous leur forme actuelle très peu de temps après le Big Bang, ce qui défie les hypothèses actuelles concernant la vitesse à laquelle ces objets peuvent se développer.

« Nous connaissons deux façons principales de fabriquer des SMBH, et aucune d’entre elles ne prévoit la formation d’objets de cette taille. Lors de leur naissance, ils devaient être plus petits et ont ensuite atteint ces tailles prodigieuses. Ce qui est aujourd’hui difficilement concevable, car il existe une limite à ce qu’un trou noir peut avaler dans le laps de temps s’étant écoulé depuis la création de l’Univers », déclare Davis.

« Nos travaux renforcent ce problème, car ils montrent que quel que soit le mécanisme à l’origine des SMBH, il implique que ceux-ci puissent avoir une masse de départ inférieure à 500 000 masses solaires », ajoute le chercheur.

Aucune des deux théories ne permettant d’expliquer de façon satisfaisante l’origine d’un SMBH aussi petit, la réponse finale impliquera probablement des modifications importantes de l’un des modèles dont disposent actuellement les physiciens. Mais ces nouvelles recherches offrent toutefois aux scientifiques un meilleur aperçu de ce à quoi les trous noirs supermassifs « jeunes » peuvent ressembler.

La galaxie NGC 404 — © Donald Pelletier / Wikimedia Creative Commons

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