Les trous noirs supermassifs sont les plus gros trous noirs, avec des masses pouvant dépasser le milliard de Soleils. Juste ce printemps, la toute première image du trou noir supermassif au centre de la galaxie Messier 87 a été prise, et les chercheurs ont récemment repéré le plus grand trou noir supermassif jamais vu. Malgré ces efforts révolutionnaires, comprendre comment ces trous noirs déterminent la forme et la structure d'une galaxie reste un défi car la plupart d'entre eux sont trop éloignés pour que les télescopes actuels puissent les résoudre avec précision.

Une étude publiée dans Astronomie de la nature décrit une nouvelle façon de « peser » les trous noirs supermassifs au centre des galaxies en utilisant les distances entre les galaxies voisines comme proxy. La recherche était une collaboration mondiale impliquant des chercheurs d'institutions au Royaume-Uni, Italie, Allemagne, Chili, et les États-Unis, y compris la faculté Penn Mariangela Bernardi et Ravi Sheth.

L'obtention d'une estimation précise de la masse d'un trou noir supermassif se fait généralement en mesurant la vitesse de la poussière et du gaz qui tourbillonnent autour de lui. Cela nécessite des télescopes extrêmement sensibles utilisant une analyse complexe, et ne peut être fait que pour des trous noirs suffisamment gros pour être résolus et relativement proches de la Terre. Cependant, si cette masse est en corrélation avec d'autres propriétés de la galaxie hôte, ceux qui peuvent être mesurés même lorsque le trou noir est plus petit ou plus éloigné, on peut utiliser ces autres propriétés comme « proxies » pour la masse.

Cependant, explique Bernardi, "Nous avons réalisé qu'il y a un biais dans l'échantillon voisin qui a été utilisé pour calibrer les masses. Les objets pour lesquels nous sommes actuellement en mesure de mesurer les masses ne semblent pas être typiques. Notre travail a suggéré que les trous noirs supermassifs sont, en moyenne, pas aussi massif qu'on ne le pensait auparavant."

Pour vérifier cette différence de masse, les chercheurs ont mis au point une façon nouvelle et très différente d'estimer les masses des trous noirs. Ils ont utilisé le fait que, tandis qu'un trou noir est entouré par sa galaxie hôte, la galaxie elle-même est entourée d'un "halo" encore plus grand fait de matière noire. Les galaxies entourées de halos plus massifs sont connues pour se regrouper avec d'autres grandes, galaxies massives. Puisque des trous noirs plus massifs existent dans des galaxies plus massives qui ont des halos plus massifs, la force de regroupement « pese » réellement les halos de matière noire et, par procuration, les masses des trous noirs en leurs centres.

Cette nouvelle mesure suggère également que les trous noirs supermassifs sont moins massifs qu'on ne le pensait auparavant, et pourrait expliquer pourquoi certaines expériences en cours n'ont pas donné les résultats escomptés. A titre d'exemple, pulsars, restes d'étoiles explosées, brillent comme des phares tournant très rapidement qui tournent des centaines de fois par seconde. La lumière des pulsars est émise de manière incroyablement courte, intervalles réguliers pendant que le faisceau balaie la Terre encore et encore. Les chercheurs recherchent actuellement les ondes de gravité provoquées par la collision de deux trous noirs supermassifs, ce qui devrait faire bouger ces faisceaux vers et loin de la Terre au fur et à mesure que la vague se précipite et affecter la synchronisation des impulsions.

Parce que les changements attendus n'ont pas encore été observés, dit Sheth, "Les gens commençaient à craindre que la gravité soit peut-être bizarre, ou peut-être ne comprenons-nous pas pleinement la physique des fusions qui créent les ondes de gravité. Mais si les vraies masses des trous noirs sont plus petites qu'on ne le pensait auparavant, alors les ondes de gravité prédites seraient plus faibles, rendant les changements de synchronisation des pulsars plus difficiles à détecter."

Au cours des 10 prochaines années, les nouveaux télescopes devraient être en mesure d'obtenir des mesures de masse plus précises pour les trous noirs et donner l'occasion aux chercheurs de tester leur nouvelle méthode par rapport à des ensembles de données plus importants. Des installations comme le télescope extrêmement grand, un 39 mètres dont la finition est prévue en 2025, peut permettre aux chercheurs de mesurer directement des trous noirs plus petits et plus éloignés et leurs galaxies hôtes.

"Ces découvertes ont des implications importantes pour notre compréhension de l'évolution et de la croissance des trous noirs supermassifs, ", déclare l'auteur principal Francesco Shankar. Bernardi ajoute que ce travail permettra également aux chercheurs d'étudier plus avant le lien entre la croissance des trous noirs supermassifs et l'évolution des galaxies.