Des astronomes de l’Université de Colombie-Britannique viennent de faire une découverte stupéfiante : dans une étude repérée par UniverseToday, ils ont déterminé qu’une structure appelée Fer à cheval cosmique héberge un trou noir aux proportions absolument ahurissantes, qui pourrait livrer de précieuses informations sur l’évolution des galaxies.
Notre histoire commence en 2007 avec la découverte du Fer à cheval cosmique, une étonnante paire de galaxies situées dans la constellation du Lion. Il doit son nom à sa forme caractéristique de… fer à cheval, qui est due au phénomène de lentille gravitationnelle.
En optique traditionnelle, une lentille est un dispositif transparent dont les surfaces présentent une courbure soigneusement calibrée. Elles permettent de manipuler la trajectoire des rayons lumineux avec une grande précision grâce au phénomène de réfraction.
En astronomie, ce terme renvoie à un phénomène fonctionnellement comparable, mais qui repose sur des principes physiques très différents. Ici, ce n’est pas une surface transparente qui dévie la lumière ; la « lentille » en question est une déformation de l’espace-temps provoquée par un objet extrêmement massif comme une galaxie, conformément à la relativité générale formalisée par Einstein.
Lorsque la lumière s’approche d’un objet de ce type, elle est forcée de le contourner pour suivre cette courbure. Si un deuxième objet est positionné précisément derrière cette lentille, sur un axe qui traverse également la Terre, il n’est donc pas complètement occulté par l’objet au premier plan ; à la place, il nous apparaît alors sous la forme d’un halo plus ou moins circulaire que l’on appelle un anneau d’Einstein. Même si l’image est déformée, ce phénomène permet donc d’observer des objets qui seraient autrement invisibles.
Un trou noir aux proportions incroyables
C’est précisément ce qui se passe dans ce Fer à cheval cosmique. Mais une fois n’est pas coutume, cette fois, ce n’est pas l’anneau d’Einstein en arrière-plan qui intéresse les chercheurs; leur étude se focalise sur LRG 3-757, la galaxie au premier plan qui se présente sous la forme d’un point au centre du fer à cheval.
Puisqu’elle est à l’origine de cette lentille gravitationnelle, on sait qu’elle est particulièrement dodue, avec une masse environ 100 fois supérieure à celle de notre galaxie. Les astronomes étaient donc curieux de déterminer l’origine de cette masse.
Pour y parvenir, ils ont fait appel à Euclid, le dernier télescope de pointe de l’ESA — et ce dernier les a menés tout droit vers un véritable titan. Au cœur de LRG 3-757, ils ont trouvé un trou noir aux proportions phénoménales dont la masse a été estimée à… 36 milliards de fois la masse de notre Soleil !
Même chez les trous noirs, qui sont notoirement massifs, c’est un chiffre sidérant. À ce stade, on ne parle même plus de trou noir supermassif ; celui-ci il tombe dans la catégorie des trous noirs dits ultramassifs. Ces derniers sont très intéressants, car ils permettent aux astronomes d’étudier les limites des modèles cosmologiques modernes.
Une exception très prometteuse
Les auteurs de cette nouvelle étude se sont focalisés sur la relation MBH−σe, une métrique qui illustre la corrélation entre la masse d’un trou noir et les différences de vitesse des étoiles avoisinantes.
Cette corrélation est avant tout empirique ; au lieu d’être dérivée des principes fondamentaux de la physique, elle a émergé petit à petit au fil des observations. Cela signifie qu’on peut la constater en pratique, mais qu’on ne sait pas exactement quels mécanismes permettent de créer et de maintenir cette corrélation entre la masse du trou noir et le comportement des étoiles aux alentours. Il est donc utile d’étudier des trous noirs particulièrement extrêmes pour vérifier jusqu’à quel point cette corrélation MBH−σe reste valable.
Il semble en effet qu’elle commence à s’écrouler lorsque les trous noirs atteignent des masses absolument gigantesques, et les auteurs de ces travaux ont donc profité de cette opportunité pour vérifier ce point. Leurs calculs ont révélé que LRG 3-757 déviait effectivement de la relation MBH−σe, et avec une marge assez significative comme on le constate en haut à droite de ce graphique.
Tout l’enjeu, c’est donc de comprendre l’origine de ces déviations. Elles sont probablement liées à l’histoire de ces galaxies, et pourraient donc mettre en lumière des phénomènes importants et encore mal compris.
Selon les auteurs, il existe aujourd’hui trois pistes distinctes. La première, c’est que certaines étoiles aient simplement “disparu” en fusionnant avec leurs voisines, affectant le comportement des autres astres aux alentours. Les deux autres sont plus excitantes ; elles concernent directement l’évolution de ces galaxies.
Selon les auteurs, la deuxième possibilité, c’est que LRG 3-757 fasse partie d’un groupe fossile, une entité qui émerge lorsque de nombreuses galaxies fusionnent les unes avec les autres. On obtient alors un groupe avec une galaxie absolument gigantesque en son centre. Les astronomes considèrent que ces dernières pourraient suivre une trajectoire évolutive très différente des galaxies isolées, d’où la déviation mesurée dans la relation MBH−σe. Le cas échéant, il s’agirait donc d’une belle opportunité d’étudier des phénomènes qui jouent sans doute un rôle important dans la dynamique et la structure globale du cosmos.
La dernière est peut-être encore plus enthousiasmante. Toujours selon les auteurs, le trou noir ultramassif au centre de LRG 3-757 pourrait être suffisamment actif pour générer d’immenses jets de particules très énergétiques. Ces derniers pourraient alors affecter localement la dynamique de la galaxie, expliquant ainsi la déviation, mais aussi la structure globale de l’Univers, comme une autre étude l’a montré récemment.
Là encore, il s’agirait donc d’une superbe occasion d’étudier un phénomène qui a directement contribué à façonner notre univers depuis des milliards d’années.
Euclid, un outil formidable pour comprendre l’Univers
Pour l’instant, les chercheurs n’ont pas encore réussi à recueillir assez de données pour privilégier l’une des trois hypothèses. Pour y parvenir, il faudra découvrir et analyser d’autres trous noirs ultramassifs de ce genre.
La bonne nouvelle, c’est que n’est probablement qu’une question de temps ; grâce aux capacités d’observation exceptionnelles du télescope Euclid, les chercheurs auront bientôt accès à une montagne de données qui contiendra peut-être la clé du mystère. « La mission Euclid devrait découvrir des centaines de milliers de lentilles gravitationnelles au cours des cinq prochaines années », concluent les auteurs.
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