Découverte d'une cavité au centre d'une galaxie géante, produite par un trou noir ultramassif

Une équipe d’astrophysiciens vient de démontrer l’existence  d’une cavité d’une taille de l'ordre du kiloparsec dans la distribution stellaire de la galaxie centrale de l'amas A402. Les données des télescopes Webb et Hubble mettent en évidence un noyau galactique aplati dans la distribution stellaire sur lequel se superpose la cavité, ce qui implique la présence d'un trou noir ultramassif central de masse d’environ 50 milliards de M⊙ qui serait à l’origine de cette cavité. Ils montrent en outre qu'un second trou noir supermassif candidat se trouve de l'autre côté de la cavité, avec une vitesse relative de 370 km s⁻¹. Si cette hypothèse se confirme, cela impliquerait la présence d'un système binaire de trous noirs ultramassifs séparés par plusieurs kiloparsecs, d'une masse totale de 60 milliards M⊙. Cela en ferait le système binaire de trous noirs le plus massif découvert à ce jour. L’étude est publiée dans The Astrophysical Journal.

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⊙.

McDonald et ses collaborateurs  ont des bonnes raisons de postuler que la cavité stellaire se forme par l'interaction dynamique continue d'un cœur stellaire avec des trous noirs supermassifs en spirale. Cette interprétation est étayée par les preuves, en lumière optique et X, d'une fusion récente à l'échelle galactique, ainsi que par l'observation de deux sources à raies d'émission de part et d'autre de la cavité, compatibles avec un noyau galactique actif binaire massif. La taille de la cavité et les vitesses relatives des deux AGN supposés concordent avec les théories établies depuis des décennies sur l'érosion des cœurs stellaires par des trous noirs supermassifs (ou ultramassifs) en spirale.

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