Le mystère entourant la localisation d'un trou noir supermassif s'est approfondi.

Malgré des recherches avec l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA et le télescope spatial Hubble, les astronomes n'ont aucune preuve qu'un trou noir lointain estimé à peser entre 3 et 100 milliards de fois la masse du Soleil puisse être trouvé.

Ce trou noir manquant devrait se trouver dans l'énorme galaxie au centre de l'amas de galaxies Abell 2261, qui est situé à environ 2,7 milliards d'années-lumière de la Terre. Cette image composite d'Abell 2261 contient des données optiques de Hubble et du télescope Subaru montrant des galaxies dans l'amas et en arrière-plan, et les données de rayons X Chandra montrant un gaz chaud (coloré en rose) pénétrant l'amas. Le milieu de l'image montre la grande galaxie elliptique au centre de l'amas.

Presque toutes les grandes galaxies de l'Univers contiennent un trou noir supermassif en leur centre, avec une masse qui est des millions ou des milliards de fois celle du Soleil. Puisque la masse d'un trou noir central suit généralement la masse de la galaxie elle-même, les astronomes s'attendent à ce que la galaxie au centre d'Abell 2261 contienne un trou noir supermassif qui rivalise avec le poids de certains des plus grands trous noirs connus de l'Univers.

En utilisant les données de Chandra obtenues en 1999 et 2004, les astronomes avaient déjà recherché le centre de la grande galaxie centrale d'Abell 2261 à la recherche de signes d'un trou noir supermassif. Ils ont recherché un matériau qui a été surchauffé lorsqu'il est tombé vers le trou noir et a produit des rayons X, mais n'a pas détecté une telle source.

Maintenant, avec du neuf, observations plus longues de Chandra obtenues en 2018, une équipe dirigée par Kayhan Gultekin de l'Université du Michigan à Ann Arbor a mené une recherche plus approfondie du trou noir au centre de la galaxie. Ils ont également envisagé une explication alternative, dans lequel le trou noir a été éjecté du centre de la galaxie hôte. Cet événement violent peut avoir résulté de la fusion de deux galaxies pour former la galaxie observée, accompagné du trou noir central de chaque galaxie fusionnant pour former un énorme trou noir.

Quand les trous noirs fusionnent, ils produisent des ondulations dans l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles. Si l'énorme quantité d'ondes gravitationnelles générées par un tel événement était plus forte dans une direction que dans une autre, la théorie prédit que le nouveau, un trou noir encore plus massif aurait été envoyé en carénage loin du centre de la galaxie dans la direction opposée. C'est ce qu'on appelle un trou noir de recul.

Les astronomes n'ont pas trouvé de preuves définitives du recul des trous noirs et on ne sait pas si les trous noirs supermassifs se rapprochent suffisamment les uns des autres pour produire des ondes gravitationnelles et fusionner ; jusque là, les astronomes n'ont vérifié que les fusions de trous noirs beaucoup plus petits. La détection de trous noirs supermassifs en recul encouragerait les scientifiques à utiliser et développer des observatoires pour rechercher les ondes gravitationnelles provenant de la fusion des trous noirs supermassifs.

La galaxie au centre d'Abell 2261 est un excellent amas pour rechercher un trou noir en recul car il y a deux signes indirects qu'une fusion entre deux trous noirs massifs pourrait avoir eu lieu. D'abord, les données des observations optiques de Hubble et Subaru révèlent un noyau galactique - la région centrale où le nombre d'étoiles dans la galaxie dans une parcelle donnée de la galaxie est à ou près de la valeur maximale - qui est beaucoup plus grand que prévu pour une galaxie de sa taille. Le deuxième signe est que la concentration d'étoiles la plus dense dans la galaxie est supérieure à 2, 000 années-lumière du centre de la galaxie, ce qui est étonnamment distant.

Ces caractéristiques ont été identifiées pour la première fois par Marc Postman du Space Telescope Science Institute (STScI) et ses collaborateurs dans leurs précédentes images Hubble et Subaru, et les a amenés à suggérer l'idée d'un trou noir fusionné dans Abell 2261. Lors d'une fusion, le trou noir supermassif de chaque galaxie s'enfonce vers le centre de la galaxie nouvellement fusionnée. S'ils se lient l'un à l'autre par gravité et que leur orbite commence à se rétrécir, les trous noirs devraient interagir avec les étoiles environnantes et les éjecter du centre de la galaxie. Cela expliquerait le gros noyau d'Abell 2261. La concentration excentrée d'étoiles peut également avoir été causée par un événement violent tel que la fusion de deux trous noirs supermassifs et le recul subséquent d'un seul, trou noir plus grand qui en résulte.

Même s'il y a des indices qu'une fusion de trous noirs a eu lieu, ni les données de Chandra ni de Hubble n'ont montré de preuves du trou noir lui-même. Gultekin et la plupart de ses co-auteurs, dirigé par Sarah Burke-Spolaor de l'Université de Virginie-Occidentale, avait déjà utilisé Hubble pour rechercher un groupe d'étoiles qui aurait pu être emporté par un trou noir en recul. Ils ont étudié trois amas près du centre de la galaxie, et examiné si les mouvements des étoiles dans ces amas sont suffisamment élevés pour suggérer qu'ils contiennent un trou noir de dix milliards de masse solaire. Aucune preuve claire d'un trou noir n'a été trouvée dans deux des amas et les étoiles dans l'autre étaient trop faibles pour produire des conclusions utiles.

Ils ont également étudié auparavant les observations d'Abell 2261 avec le Karl G. Jansky Very Large Array de la NSF. L'émission radio détectée près du centre de la galaxie a montré que l'activité des trous noirs supermassifs s'était produite il y a 50 millions d'années, mais n'indique pas que le centre de la galaxie contient actuellement un tel trou noir.

Ils se sont ensuite tournés vers Chandra pour rechercher du matériel qui avait été surchauffé et produit des rayons X alors qu'il tombait vers le trou noir. Alors que les données de Chandra ont révélé que le gaz chaud le plus dense n'était pas au centre de la galaxie, ils n'ont révélé aucune signature de rayons X possible d'un trou noir supermassif en pleine croissance - aucune source de rayons X n'a ​​été trouvée au centre de l'amas, ou dans l'un des bouquets d'étoiles, ou sur le site de l'émission radio.

Les auteurs ont conclu qu'il n'y a pas de trou noir à aucun de ces endroits, ou qu'il aspire le matériau trop lentement pour produire un signal de rayons X détectable.

Le mystère de la localisation de ce gigantesque trou noir continue donc. Bien que la recherche n'ait pas abouti, l'espoir demeure pour les astronomes à la recherche de ce trou noir supermassif à l'avenir. Une fois lancé, le télescope spatial James Webb pourrait être en mesure de révéler la présence d'un trou noir supermassif au centre de la galaxie ou l'un des amas d'étoiles. Si Webb est incapable de trouver le trou noir, alors la meilleure explication est que le trou noir a bien reculé du centre de la galaxie.

Un article décrivant ces résultats a été accepté pour publication dans un journal de l'American Astronomical Society, et est également disponible en ligne sur arxiv.org/abs/2010.13980 .