En 1931, le physicien indo-américain Subrahmanyan Chandrasekhar a proposé une résolution à la théorie de la relativité générale d’Einstein qui postulait l’existence de trous noirs. En 1972, les astronomes ont obtenu la première preuve concluante que ces objets existaient dans notre Univers. Les observations des quasars et du centre de la Voie lactée ont également révélé que la plupart des galaxies massives ont des trous noirs supermassifs (SMBH) en leur centre. Depuis lors, l’étude des trous noirs a révélé que ces objets varient en taille et en masse, allant des micro trous noirs (MBH) et des trous noirs intermédiaires (IMBH) aux SMBH.
À l’aide de simulations astronomiques et d’une technique connue sous le nom de lentille gravitationnelle, une équipe internationale d’astrophysiciens a détecté ce qui pourrait être le plus grand trou noir jamais observé. Ce trou noir ultramassif (UMBH) a une masse d’environ 30 milliards de fois celle de notre Soleil et est situé près du centre de l’amas de galaxies Abell 1201, à environ 2,7 milliards d’années-lumière de la Terre. C’est la première fois qu’un trou noir est découvert à l’aide de la lentille gravitationnelle, et cela pourrait permettre à des études qui regardent plus loin dans l’espace de trouver des trous noirs et d’approfondir notre compréhension de leur taille et de leur échelle.
L’étude a été menée par des chercheurs du Centre d’astronomie extragalactique (CEA) de l’Université de Durham, de l’Institut Max Planck d’astrophysique (MPIA) et du Centre de recherche Ames de la NASA. Il était dirigé par le Dr James Nightingale, chercheur post-doctorant au CEA, avec le soutien de l’Agence spatiale britannique (UKSA), de la Royal Society, du Science and Technology Facilities Council (STFC) et du Conseil européen de la recherche. (ERC). Un article décrivant leurs découvertes est récemment paru dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
La lentille gravitationnelle (GL) fait référence à un phénomène prédit par la relativité générale, qui décrit comment la courbure de l’espace-temps est déformée par la présence d’objets massifs. Cette technique implique que les astronomes utilisent des objets massifs au premier plan (comme des galaxies ou des amas de galaxies) pour amplifier la lumière d’objets plus éloignés. Cela permet aux astronomes d’étudier des objets qui leur seraient autrement inaccessibles, soit en raison de la distance, soit de la présence d’autres objets le long de la même ligne de visée. Cette technique permet également aux astronomes d’étudier plus en détail des objets distants, comme l’amas Abell 1201.
Le Dr Nightingale et ses associés ont commencé à étudier cet amas en 2004 lorsque le professeur Alastair Edge, un collègue astronome de l’Université de Durham et co-auteur de cet article, a examiné des images d’un relevé galactique et a remarqué une lentille géante à proximité. Pour cette étude, le Dr Nightingale, le professeur Edge et leurs collègues ont consulté les données du télescope spatial Hubble (HST) dans plusieurs bandes – y compris la lumière visible, les rayons X et d’autres longueurs d’onde. Suite à ce que Hubble a vu il y a des années, l’équipe a comparé les données à des simulations sur les nouvelles installations de superordinateur DiRAC COSmology MAchine 8 (COSMA8) à l’Université de Durham.
À l’aide d’un logiciel open source (PyAutoLens) sur lequel les astronomes s’appuient pour modéliser de fortes lentilles, l’équipe a simulé la lumière voyageant entre Abell 2021 et la Terre des milliers de fois. Chaque simulation comprenait un trou noir avec une masse différente et comment cela influencerait la façon dont la lumière a parcouru 2,7 milliards d’années pour atteindre la Terre. Leurs résultats ont montré qu’un UMBH situé dans la galaxie de premier plan, plus de 30 milliards de fois plus massive que notre Soleil, expliquerait ce que Hubble a vu. Les astronomes voient rarement des trous noirs aussi massifs, et cette découverte (si elle est confirmée) constituerait le plus grand trou noir jamais détecté.
En plus de cela, c’était la première fois que les astronomes utilisaient la technique GL pour détecter un trou noir aussi massif. De plus, cela pourrait aider les astronomes à en savoir plus sur les UMBH et les trous noirs dormants à l’avenir. D’ordinaire, les astronomes sont en grande partie limités à l’étude des trous noirs actifs en raison de leur luminosité dans plusieurs longueurs d’onde. Cela est dû au fait que le gaz et la poussière sont attirés vers les trous noirs et forment des disques étroitement liés qui sont accélérés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière (c’est-à-dire la vitesse relativiste).
Cela fait que le matériau du disque devient très énergétique, émettant un rayonnement dans la lumière visible, l’infrarouge, les rayons X, les ondes radio et d’autres longueurs d’onde. La même chose se produit lorsque le matériau tombe et s’accumule sur la face du trou noir, se déchirant au niveau subatomique. Ceci est caractéristique des noyaux galactiques actifs (AGN), où le centre d’une galaxie brille plus que toutes les étoiles des disques galactiques. Cette étude a montré comment les trous noirs dormants, nettement moins lumineux, peuvent être déduits de la présence d’un GL puissant.
L’équipe espère que cette étude conduira à des explorations plus approfondies des trous noirs, qui bénéficieront de la nouvelle classe de télescopes de 30 mètres qui deviendront opérationnels dans un avenir proche. Il s’agit notamment de l’Extremely Large Telescope (ELT), du Giant Magellan Telescope (GMT) et du Thirty Meter Telescope (TMT), qui combineront une plus grande sensibilité avec une optique adaptative et des interféromètres. Parallèlement à une meilleure analyse des données et à de nouvelles méthodes, les astronomes pourront probablement étudier des trous noirs encore plus éloignés et obtenir des informations supplémentaires sur ces mastodontes.
Lectures complémentaires : Université de Durham, MNRAS
