Dans l'espace, les trous noirs apparaissent dans différentes tailles et masses. Le record est désormais détenu par un spécimen de l'amas de galaxies Abell 85, où un trou noir ultra-massif avec 40 milliards de fois la masse de notre soleil se trouve au milieu de la galaxie centrale Holm 15A. Les astronomes de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre et de l'Observatoire universitaire de Munich l'ont découvert en évaluant les données photométriques de l'Observatoire de Wendelstein ainsi que de nouvelles observations spectrales avec le Very Large Telescope.

Même si la galaxie centrale de l'amas Abell 85 a l'énorme masse visible d'environ 2 000 milliards (10 ¹² ) masses solaires dans les étoiles, le centre de la galaxie est extrêmement diffus et faible. C'est pourquoi un groupe conjoint d'astronomes de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) et de l'Observatoire universitaire de Munich (USM) s'est intéressé à la galaxie. Cette région diffuse centrale de la galaxie est presque aussi grande que le Grand Nuage de Magellan, et c'était un indice suspect pour la présence d'un trou noir avec une masse très élevée.

L'amas de galaxies Abell 85, qui se compose de plus de 500 galaxies individuelles, est à une distance de 700 millions d'années-lumière de la Terre, deux fois la distance pour les précédentes mesures directes de la masse des trous noirs. "Il n'y a que quelques dizaines de mesures de masse directes de trous noirs supermassifs, et jamais auparavant il n'a été tenté à une telle distance, " explique le scientifique de MPE Jens Thomas, qui a dirigé l'étude. "Mais nous avions déjà une idée de la taille du trou noir dans cette galaxie particulière, alors nous l'avons essayé."

Les nouvelles données obtenues à l'observatoire USM Wendelstein de l'université Ludwig-Maximilians et avec l'instrument MUSE du VLT ont permis à l'équipe d'effectuer une estimation de masse basée directement sur les mouvements stellaires autour du noyau de la galaxie. Avec une masse de 40 milliards de masses solaires, c'est le trou noir le plus massif connu aujourd'hui dans l'univers local. "C'est plusieurs fois plus important que prévu à partir des mesures indirectes, comme la masse stellaire ou la dispersion des vitesses de la galaxie, " dit Roberto Saglia, scientifique senior MPE et maître de conférences au LMU.

Le profil lumineux de la galaxie montre un centre avec une luminosité de surface extrêmement faible et très diffuse, beaucoup plus faible que dans d'autres galaxies elliptiques. "Le profil léger dans le noyau interne est également très plat, " explique le doctorant de l'USM Kianusch Mehrgan, qui a effectué l'analyse des données. "Cela signifie que la plupart des étoiles du centre ont dû être expulsées en raison d'interactions lors de fusions précédentes."

Dans l'opinion communément admise, les noyaux de ces galaxies elliptiques massives se forment via ce que l'on appelle "l'affouillement du noyau" :lors d'une fusion entre deux galaxies, les interactions gravitationnelles entre leur fusion, les trous noirs centraux conduisent à des frondes gravitationnelles qui éjectent des étoiles sur des orbites principalement radiales depuis le centre de la galaxie restante. S'il ne reste plus de gaz au centre pour former de nouvelles étoiles, comme dans les galaxies plus jeunes, cela conduit à un noyau appauvri.

"La dernière génération de simulations informatiques de fusions de galaxies nous a donné des prédictions qui correspondent en effet assez bien aux propriétés observées, " déclare Jens Thomas, qui a également fourni les modèles dynamiques. "Ces simulations incluent des interactions entre des étoiles et un binaire de trou noir, mais l'ingrédient crucial est deux galaxies elliptiques qui ont déjà des noyaux épuisés. Cela signifie que la forme du profil lumineux et les trajectoires des étoiles contiennent des informations archéologiques précieuses sur les circonstances spécifiques de la formation du noyau dans cette galaxie, ainsi que sur d'autres galaxies très massives."

Cependant, même avec cette histoire de fusion inhabituelle, les scientifiques pourraient établir une relation nouvelle et robuste entre la masse du trou noir et la luminosité de la surface de la galaxie :à chaque fusion, le trou noir gagne de la masse et le centre de la galaxie perd des étoiles. Les astronomes pourraient utiliser cette relation pour estimer la masse des trous noirs dans des galaxies plus éloignées, où les mesures directes des mouvements stellaires assez près du trou noir ne sont pas possibles.