La zone vide qui est observée correspond
à environ 20 milliards M⊙ d'étoiles
manquantes dans un volume de 0,5 kpc³ . Michael
McDonald (MIT) et ses collaborateurs proposent que cette cavité stellaire unique résulte d'une
interaction dynamique de courte durée entre au
moins un trou noir supermassif et le champ stellaire environnant. Selon
eux, cette interaction pourrait être due soit à une diffusion à trois corps
lors du durcissement du système binaire, soit à l'induction d'une instabilité
dipolaire dans le champ de densité stellaire.
Il faut se rappeler qu’au centre
des galaxies les plus massives de l'Univers, les galaxies elliptiques géantes,
les profils de luminosité s'aplatissent pour former une région centrale de
brillance de surface constante. Or, l'existence d'un tel noyau stellaire n'est
pas prédite naturellement par les modèles actuels de formation des galaxies
massives dans un univers ΛCDM. Cela suggère qu'un mécanisme secondaire est
responsable de l'élimination des étoiles des régions internes de haute densité.
Compte tenu de la masse des étoiles évacuées, l'hypothèse la plus probable est
celle de la fusion en cours d'une paire de trous noirs supermassifs. Selon le
modèle standard de formation des structures, les galaxies massives se forment
principalement par fusion avec des galaxies plus petites. Étant donné que la
totalité des galaxies abritent un trou noir supermassif central, la fusion de
trous noirs devrait donc également être fréquente. En particulier, à des
époques plus reculées, les galaxies massives situées au centre des amas
devraient être le siège d'événements de fusion actifs.
Pour que deux trous noirs supermassifs fusionnent, ils doivent d'abord perdre suffisamment de moment cinétique orbital pour réduire leur séparation orbitale à un niveau suffisamment faible pour que l'émission d'ondes gravitationnelles puisse emporter l'énergie orbitale restante en un temps inférieur à l'âge de l'Univers. Bien que de telles ondes gravitationnelles issues de la fusion d'un système binaire de trous noirs supermassifs n'aient pas encore été détectées, NANOGraV et d'autres expériences de chronométrage de pulsars ont récemment mis en évidence l'existence d'un fond d'ondes gravitationnelles stochastiques qui proviendrait de la fusion collective de trous noirs binaires dans les noyaux galactiques. On pense que la phase initiale de ce processus, avant que les ondes gravitationnelles ne deviennent significatives, implique une diffusion à trois corps entre les 2 trous noirs et les étoiles, ce qui entraînerait un « nettoyage » des étoiles et de la matière noire dans la couche interne des galaxies les plus massives sur environ un kiloparsec. Ce déficit d'étoiles peut être encore accentué si la fusion des trous noirs induit un recul sur le trou noir résiduel, ce qui est très souvent le cas. Ca éloignerait le trou noir supermassif du centre du potentiel gravitationnel et conduirait à une expansion rapide des orbites stellaires derrière lui.
De tels noyaux diffus et de
grande taille ont déjà été observés dans la distribution stellaire de plusieurs
galaxies massives, et il a été suggéré que la taille physique du noyau observé
est directement liée à la masse du trou noir qui l'a probablement créé. En
effet, la masse de certains des trous noirs supermassifs les plus massifs a été
déduite de la taille des régions centrales qu'ils ont creusées dans le profil
lumineux de leur galaxie hôte. Cette relation repose sur l'hypothèse que le
noyau s'est formé par des interactions dynamiques avec couple de trous noirs
supermassifs, pendant ou après la fusion. Malgré les efforts observationnels
considérables déployés pour étudier les cœurs des galaxies massives et, du
point de vue théorique, pour prédire les mécanismes de leur formation, ce
modèle est resté jusqu’à aujourd’hui peu étayé par l'observation directe. Le
seul système pour lequel un trou noir supermassif binaire a été directement
détecté comme modifiant la distribution stellaire est NGC 5419, par B.
Neureiter et al. en 2023. Dans ce système, deux sources ponctuelles très
proches semblent induire des perturbations cinématiques dans la distribution
stellaire, ce qui conduit à la formation d'un cœur aplati. De plus, ces grands
cœurs stellaires aplatis peuvent être dynamiquement instables, comme l'ont
montré S. Dattathri et al. en 2025, ce qui engendre un dipôle persistant dans
la distribution stellaire.
McDonald et ses collaborateurs ont analysé des
observations de la galaxie centrale d'A402, qui est un amas de galaxies massif situé
à un redshift z = 0,322. La cavité qu’ils observent avec Webb avait été
précédemment signalée par A. Repp et H. Ebeling en 2018 à partir d'observations
du télescope Hubble. Elle avait alors été interprétée comme une zone de
poussière proche du centre galactique. Mais grâce aux données de l’imageur
Nircam de Webb, les chercheurs apportent aujourd’hui des preuves convaincantes
qu'il s'agit en réalité d'une absence d'étoiles, et ils suggèrent donc que cela
est très probablement dû à des interactions dynamiques avec la fusion d'une
paire de trous noirs supermassifs.
Outre cette « cavité stellaire », McDonald
et ses collaborateurs ont constaté que la galaxie
centrale d'A402 possède un noyau diffus extrêmement étendu, avec un rayon de rupture de
2,2 kpc, sur lequel se superpose la cavité. Pour eux, un noyau aussi important
a probablement été formé lors de la fusion passée de trous noirs supermassifs,
laissant un résidu d'une masse d'environ 50 milliards de M⊙
. Ce trou noir « ultramassif » apparaît à l'extrémité ouest de la cavité stellaire
comme une source ponctuelle brillante dans l'infrarouge moyen et coïncide avec un noyau galactique actif identifié par MUSE. Et sur le bord est de la cavité, les
astrophysiciens trouvent également des preuves de la présence d'un deuxième noyau
galactique actif, basées sur une forte émission [O iii ] localisée. Ces deux
AGN ont une vitesse relative de 370 km s −1, ce qui permet aux
chercheurs de calculer la masse binaire combinée du système. Ils trouvent une
valeur record de 60 milliards M⊙.
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Ce système offre un modèle pour un nouveau phénomène à rechercher dans les observations actuelles et futures. La détection d’autres sources similaires contribuerait à consolider les prédictions actuelles de signatures multi-messagers pour les sources du futur détecteur LISA, pour lesquelles l’échelle de temps et la fréquence de fusion demeurent des incertitudes majeures.
À l’avenir, les vastes relevés effectués avec les télescopes spatiaux Euclid et Roman, ainsi que les relevés d’archives de Hubble et Webb permettront probablement de découvrir des systèmes similaires, fournissant une estimation de l’échelle de temps de fusion des trous noirs supermassifs basée sur la fréquence d’observation de tels systèmes. Parallèlement, un suivi ciblé de ce système unique avec les télescopes les plus puissants permettra une compréhension plus complète de la nature du noyau galactique actif dans ce système et de la dynamique des étoiles dans et autour de la cavité.
Source
A Kiloparsec-scale Stellar Cavity in the Center of A402-BCG May Be Caused by Dynamic Interactions with an Ultramassive Black Hole
Michael McDonald et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 1002, Number 1 (23 Avril 2026 )
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae5bbe
1. Observations multi-longueurs d'onde de la galaxie centrale d'A402 (McDonald et al.)
2. Michael McDonald
