Les Little Red Dots (LRD) sont des tout petits noyaux galactiques actifs peu lumineux et très rouges qui ont été découverts ces dernières années grâce au télescope Webb à des décalages vers le rouge très grands, donc très tôt dans l’histoire cosmique. Une équipe d’astrophysiciens vient d’effectuer une mesure directe et dynamique de la masse du trou noir d'un tel LRD qui se trouve à un décalage vers le rouge de 7,04 (soit seulement 700 millions d’années post Big Bang). Le trou noir fait 50 millions de masses solaires et n’est entouré au maximum que d’une vingtaine de millions de masses solaires en étoiles, le reste n’est que du gaz primordial. De quoi éclairer l’origine des trous noirs supermassifs. L’étude est publiée dans Nature.
Abell 2744−QSO1 est un LRD un peu particulier, parce qu'il apparaît 3 fois du fait d'une forte lentille gravitationnelle induite par l'amas de galaxies Abell 2744 situé en avant plan. Ignas Juodžbalis (université de Cambridge) et ses nombreux collaborateurs internationaux (dont plusieurs français) ont combiné l'effet de lentille gravitationnelle sur Abell 2744−QSO1 et des données spectroscopiques profondes de Webb pour révéler une courbe de rotation qui s’avère incompatible avec un amas stellaire nucléaire, mais en revanche, cette courbe de rotation s'explique aisément par une rotation képlérienne autour d'une masse ponctuelle de 50 millions de masses solaires. La rotation képlérienne laisse peu de place à une composante stellaire dans une galaxie hôte, puisque les chercheurs obtiennent un ratio Mtrou noir / M* > 2 . On est dans un cas très différent d’une galaxie habituelle puisqu’ici, le trou noir est quasi « nu », avec un environnement quasi-primitif. Pour Juodžbalis et ses collaborateurs, ce LRD n’est rien d’autre qu’un germe de trou noir massif pris dans sa phase d'accrétion initiale.
Sur la base des relations virielles utilisant les largeurs de raies et les luminosités, une masse de trou noir d'environ 40 millions M⊙ avait été estimée par trois études antérieures, avec l'hypothèse que les relations virielles, calibrées localement, restent applicables à un redshift z = 7. En trouvant 50 millions de masses solaires par une mesure directe, Juodžbalis et ses collaborateurs démontrent ainsi que les calibrations virielles de la masse d’un trou noir s'appliquent à ce modèle prototypique de raie à grand redshift.
Les astrophysiciens établissent que la luminosité d'Eddington (LEdd) du trou noir est de 7,6 × 1045 erg s-1 . En utilisant les relations d'échelle standard entre la raie Hα large et la luminosité bolométrique (L), ils en déduisent que le trou noir accrète de la matière bien en deçà de sa limite d'Eddington, avec L / LEdd ≈ 0,02. Et si la relation entre la raie Hα large et la luminosité bolométrique est supérieure à celle estimée localement, alors L / LEdd ≈ 0,01 ou même moins, ce qui indique que le trou noir pourrait être dans un état quasi-dormant. C'est pourquoi les estimations de masse du trou noir utilisant la luminosité bolométrique avec L / LEdd = 1 ne correspondent pas à la mesure dynamique.
Par ailleurs, les chercheurs calculent une limite supérieure dynamique sur la masse stellaire de la galaxie Abell 2744−QSO1 (si on peut l’appeler comme ça) et elle vaut 20 millions M⊙ . Ils précisent que, à leur connaissance, cette limite supérieure fait de QSO1 le trou noir massif le plus « nu » jamais découvert. Et ça colle avec une découverte précédente selon laquelle ce trou noir se trouve dans un environnement chimiquement quasi vierge. Pour Juodžbalis et ces collaborateurs, ceci démontre la possibilité d'une primauté des trous noirs, c'est-à-dire que les trous noirs se formeraient et croiteraient avant leur galaxie hôte.
Selon eux, les seuls scénarios qui peuvent expliquer un tel système sont d’une part ceux qui invoquent des « graines lourdes », comme les trous noirs à effondrement direct (résultant de l'effondrement direct de nuages massifs de gaz primordial) et d’autre part les trous noirs primordiaux (qui se seraient formés dans la première seconde après le Big Bang).
Mais, la plupart des scénarios d'effondrement direct de nuages massifs nécessiteraient une source importante de rayonnement ultraviolet à proximité, ce qui n'est pas observé ici (pas même une galaxie qui aurait pu produire un rayonnement ultraviolet par le passé). De plus, les modèles de trous noirs à effondrement direct suggèrent que leur croissance initiale est limitée par la fraction baryonique dans un halo en refroidissement, ce qui impose une limite supérieure au rapport Mtrou noir/ Mdyn d'environ 0,1, soit plus d'un dex inférieur à la limite inférieure déduite par Juodžbalis et al.
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Les chercheurs notent en revanche que la très faible métallicité de ce système constitue un argument indépendant en faveur du scénario des trous noirs primordiaux pour son origine. Toutefois, la masse observée de 50 millions M⊙ est nettement supérieure à l'échelle de masse privilégiée qui est de l’ordre de 1 million M⊙ pour les trous noirs primordiaux , une valeur qui est donnée par l'époque d'annihilation électron-positron dans l'univers primordial. Par conséquent, pour eux, la masse observée nécessiterait soit une accrétion importante , soit une fusion rapide de nombreux trous noirs primordiaux.
Quel que soit le modèle spécifique, la masse élevée du trou noir de Abell 2744−QSO1 dans une époque cosmique aussi lointaine, avec son rapport MTN/M⁎ extrêmement élevé, ainsi que son environnement de gaz quasi-pur , indiquent qu’il s’agit bel et bien d’une graine de trou noir massive qui est vue dans ses premières phases d'accrétion.
Source
A direct black-hole mass measurement in a little red dot at high redshift
Ignas Juodžbalis et al.
Nature 653 (27 mai 2026)
https://doi.org/10.1038/
Illustrations
1. Les trois images de Abell 2744−QSO1 par la télescope Webb (NASA)
2. Ignas Juodžbalis
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