jeudi 8 décembre 2011

Découverte des deux plus gros trous noirs de l'Univers

Décidément, l'année 2011 aura été une année riche en découvertes jusqu'au bout. Dans le numéro de cette semaine de Nature, McConnell et al. présentent la détection des deux trous noirs les plus massifs jamais trouvés : plus de 10 milliards de masses solaires chacun! Ils affirment que leur découverte fournit une pièce essentielle à notre compréhension de la formation des galaxies et des trous noirs.

Les trous noirs géants, qui peuvent avoir des masses de quelques milliards de fois celle du Soleil, ont fasciné depuis longtemps les scientifiques, les écrivains de science-fiction et le public en général, ils ont été proposés théoriquement il y a une quarantaine d'années, mais ce ne sont pas que des curiosités théoriques puisque leur existence a été démontrée il y a maintenant 15 ans, et les astrophysiciens ont réalisé assez vite que ces trous noirs peuvent avoir des effets profonds sur la façon dont les galaxies se forment. Cette prise de conscience a suscité une vague d'études visant à comprendre l'évolution conjointe des galaxies et des trous noirs. L'existence de trous noirs monstrueux avait été initialement invoquée pour expliquer l'intense énergie libérée par les galaxies actives connues sous le doux nom de quasars (voir aussi ici).

Ces galaxies sont particulièrement nombreuses à des distances très grandes de nous, correspondant à une époque où l'Univers avait moins de la moitié de son âge actuel. Leur luminosité extraordinaire est estimée être dûe à du gaz accéléré à une vitesse extrême avant d'être avalé par un trou noir géant situé dans le noyau de la galaxie.
S'il n'y a plus de quasar à proximité de nous, c'est parce qu'il y a aujourd'hui dans l'Univers proche beaucoup moins de gaz qu'il n'y en avait au début (parce que la plupart de celui-ci a été utilisé pour fabriquer des étoiles). Cependant, si les trous noirs supermassifs sont responsables de la production d'énergie des quasars dans les temps anciens (une dizaine de milliards d'années), ils devraient encore subsister (quelque peu en sommeil) dans le centre des galaxies les plus massives à proximité de nous.

Abell 1367
Les recherches systématiques de trous noirs supermassifs ont montré qu'on en trouvait au centre de toutes les galaxies massives. Les galaxies idéales pour accueillir ces plus grands trous noirs sont des galaxies elliptiques massives se trouvant au centre des amas de galaxies.
Comme des araignées géantes au centre d'une toile, ces galaxies se trouvent au fond du potentiel gravitationnel d'un amas et peuvent facilement nourrir leur trou noir en accrétant le gaz des étoiles et des galaxies voisines.
Toutefois, les gros amas de galaxies les plus proches de la Terre se trouvent à environ 100 mégaparsecs, et cette distance rend la détermination de la masse de leurs trous noirs -putatifs- un véritable défi. McConnell et al. ont relevé ce défi en pointant leurs télescopes (Hubble, ainsi que Gemini North et Keck 2 à Hawaii) vers les galaxies elliptiques massives centrales de deux amas (NGC 3842 et NGC 4889, respectivement les galaxies les plus brillantes des amas Abell 1367 et Abell 1656) pour enregistrer à la fois les distributions photométriques et spectrométriques d'étoiles au centre des ces galaxies.

Et dans les noyaux de ces deux galaxies, ils ont ainsi calculé la masse de deux trous noirs centraux, chacun ayant une masse de plus de 10 milliards de masses solaires. Ces objets représentent probablement les reliques de trous noirs géants qui ont dû alimenter de brillants quasars tels qu'on peut en voir dans l'Univers primordial.
Il faut essayer de se représenter ce que représente 10 milliards de masses solaires... notre galaxie à nous ne "pèse" que 100 milliards de masses solaires. Un seul "objet" de ce type peut faire 10% de toute notre galaxie, il y a là quelque chose de fascinant. Plus fascinant encore et la dimension de tels objets. On parle d'horizon, qui est la limite à partir de laquelle la lumière ne peut plus s'échapper du puits gravitationnel. Le rayon de cet horizon dépend de la masse du trou noir et vaut dans le cas découvert ici environ 30 milliards de kilomètres, soit près de 200 fois la distance séparant la Terre du Soleil. Un tel trou noir est donc bien plus grand que tout notre système solaire...

Pour essayer de comprendre comment peuvent se former de tels monstres, on étudie la distribution des vitesses des étoiles au sein de la galaxie hôte. La masse du trou noir est étroitement liée à la dispersion de vitesse des étoiles dans la partie centrale de la galaxie "araignée". Il existe bien sûr plusieurs hypothèses en concurrence, sans quoi ce serait moins passionnant.

La première propose que le Trou Noir (TN) subisse un grossissement par une accrétion énorme de gaz au sein d'une galaxie au départ spirale et riche en gaz, et qui peut également se faire par accrétion du gaz d'une galaxie voisine. Ce processus se termine lorsque le trou noir devient actif c'est à dire lorsque l'accretion échauffe tellement le milieu que des jets de particules sont produits et provoquent une dispersion du gaz proche empéchant en outre la formation d'étoiles à proximité du TN. Le résultat est une galaxie lenticulaire qui a la particularité d'avoir une dispersion de la vitesse de ses étoiles plus grande que la galaxie spirale initiale.
Abell 1656

La seconde hypothèse, qui a plus la faveur des astrophysiciens qui se sont spécialisés dans l'étude des ces objets hors norme est la possibilité de fusion de plusieurs TN déjà gros pris individuellement. Dans ce scénario, deux galaxies lenticulaires pauvres en gaz, toutes deux contenant un trou noir central, fusionnent. Leurs trous noirs spiralent vers le centre de la nouvelle entité galactique jusqu'à literalement s'agglomérer et ne faire plus qu'un. Et bien évidemment, cette étape peut être répétées plusierus fois, rien ne l'interdit, jusqu'à mener aux masses extraordinaires que l'on a découvert aujourd'hui. Le résultat de cette fusion est une galaxie sphéroïdale qui a une taille plus grande que les deux galaxies parentes. Le trou noir résultant et lui aussi plus gros que la somme des deux trous noirs initiaux. La caractéristique sur la dispersion des vitesses est que celle-ci est pratiquement inchangée, observation qui fait pencher la balance plutôt vers cette hypothèse.

C'est ce qu'ont observé McConnell et al sur ces deux TN géants, qui ont une masse trop grande vis à vis de la relation masse - dispersion de vitesse qui serait celle d'une évolution par accrétion.

Avec les nouvelles générations de télescopes comme l'EELT, la chasse aux trous noirs va s'intensifier, en augmentant considérablement le nombre de galaxies pouvant être étudiées finement et pouvant accéder par exemple à une cartographie précise des mouvements stellaires en 3D à proximité des centres galactiques.

Source :
Two ten-billion-solar-mass black holes at the centres of giant elliptical galaxies 
McConnell et al. 
Nature 480, Pages 215–218 (08 December 2011) 

A lire aussi : http://drericsimon.blogspot.com/2011/06/30-millions-de-trous-noirs-supermassifs.html

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