Les étranges trous noirs pourraient détenir les secrets de l'univers primitif.

Le cœur de notre galaxie est un monstre glouton. Comme le Kammapa mythique des Sotho de l'Afrique australe, le trou noir supermassif central de la Voie lactée a presque tout avalé autour de lui, grossissant de plus en plus à mesure qu'il mange. Et il n'est pas seul. Des trous noirs pesant autant que des milliers, des millions voire des milliards de soleils se trouvent au centre de presque toutes les galaxies massives connues.

Pendant des décennies, les scientifiques ont pensé que c'était le seul endroit où ils trouveraient de tels géants, car seules les galaxies massives avaient suffisamment de matière pour nourrir les appétits excessifs des monstres. Mais il y a une vingtaine d'années, les simulations informatiques des premiers trous noirs ont commencé à mettre en évidence des anomalies - de gros trous noirs qui n'étaient pas là où on les attendait. À l'époque, beaucoup de scientifiques ont considéré que ces outsiders ne devaient être que des anomalies, rejetant les résultats sans y prêter une seconde pensée.

Mais d'autres n'étaient pas si certains que ces cas à part devaient être mis de côté. Si les observations montrent que ces trous noirs inhabituels existent dans l'univers proche, ont spéculé ces astrophysiciens, ils pourraient être des indices inexploités de l'enfance et de l'adolescence de l'univers.

"Nous pouvons, de manière étrange, [apprendre] sur le super-début de l'univers en regardant des choses très proches de nous", explique Jillian Bellovary, astrophysicienne théorique au Queensborough Community College de New York.

L'idée est restée une simple théorie pendant des années. Mais maintenant, l'existence de ces outsiders n'est plus si facile à ignorer. Les astronomes ont découvert des indices de plusieurs trous noirs étonnamment massifs dans les galaxies les plus petites de l'univers, et, de manière surprenante, certains de ces trous noirs ne semblent pas être situés au centre de leurs galaxies. Encore plus intrigant, les astronomes ont repéré des preuves de trous noirs errants aux marges de leurs galaxies, et, dans de rares cas, étant expulsés de leurs foyers dans l'espace intergalactique.

Peut-être que ces trous noirs ne sont pas simplement des non-conformistes cosmiques, mais des acteurs majeurs dans l'histoire de notre univers. S'ils le sont, ils sont alors un outil pour sonder l'un des plus grands mystères de l'astrophysique - comment sont nés les Kammapas cosmiques que nous voyons aujourd'hui.

"Sans comprendre ce que font les trous noirs, vous ne pouvez pas comprendre l'évolution des galaxies", explique Xiaohui Fan, cosmologue à l'Université de l'Arizona à Tucson, rendant impossible l'explication du paysage de l'univers.

Notre compréhension cosmologique actuelle de la façon dont les trous noirs ont atteint une telle taille va quelque chose comme ça : à mesure que les galaxies grandissent, entrent en collision et fusionnent au fil du temps cosmique, elles acquièrent de nombreuses nouvelles étoiles, gaz et poussières. Les trous noirs au centre des galaxies grandissent de concert, gonflant à mesure qu'ils fusionnent les uns avec les autres et se nourrissent du nouveau matériel acquis. Une estimation grossière place le poids d'un trou noir supermassif quelque part autour d'un millième de la masse de sa galaxie d'origine.

Dans ce scénario, les plus petites galaxies de l'univers, appelées galaxies naines, n'ont probablement pas connu de nombreuses fusions dans le passé. Pesant environ un millième de la masse de la Voie lactée, elles devraient avoir des trous noirs relativement insignifiants, voire pas du tout.

Mais à la fin des années 2000, l'astrophysicienne Marta Volonteri, de l'Institut d'astrophysique de Paris de l'Université Sorbonne, a aidé à réaliser des simulations informatiques qui suivaient l'évolution des trous noirs massifs de la naissance à aujourd'hui. Dans ces efforts, presque dès leur apparition, même les plus petites galaxies pouvaient avoir des trous noirs étonnamment grands. Au fil du temps, certaines de ces galaxies n'ont jamais grandi ou fusionné avec d'autres, les laissant intacts après des milliards d'années d'évolution cosmique.

Une idée folle est venue à Volonteri et à ses collègues : ces galaxies et leurs trous noirs étaient des reliques de la naissance de l'univers. Si des trous noirs massifs existaient dans des galaxies naines, et si les astronomes pouvaient les trouver, ces trous noirs seraient une fenêtre sans précédent sur la façon dont les premiers trous noirs se sont formés.

Les premiers indices qu'ils existaient ont été découverts par hasard par l'astronome Amy Reines. Il y a plus d'une décennie, elle était en études supérieures à l'Université de Virginie à Charlottesville pour étudier les données télescopiques sur une galaxie naine située à trente millions d'années-lumière de la Terre. Elle regorgeait d'étoiles, et Reines cherchait à en savoir plus sur la façon dont ces boules de gaz chaud se forment.

Au départ, Reines a examiné les données de la galaxie, appelée Henize 2-10, dans les longueurs d'onde radio et proche infrarouge de la lumière. Elle a repéré un hochet cosmique, un pont de gaz d'environ 300 années-lumière reliant deux boules poussiéreuses contenant des étoiles nouvellement en train de se former. Une plongée plus profonde dans les données a révélé des émissions radio extrêmes juste au milieu du hochet, ainsi que des rayons X brillants venant du même endroit, des indices d'un énorme trou noir avec une masse d'un million de soleils.

“Je n'avais jamais vu ça auparavant”, déclare Reines, aujourd'hui à l'Université d'État du Montana à Bozeman. Elle avait également supposé que les galaxies naines ne devraient pas avoir de gros trous noirs. Elle est restée sceptique quant à son interprétation jusqu'à ce qu'elle assiste à une présentation à Seattle lors de la réunion de la Société américaine d'astronomie en 2011.

C'est là que Bellovary, alors chercheur postdoctoral à l'Université du Michigan à Ann Arbor et collaborant avec Volonteri, a présenté de nouvelles simulations de formation de galaxies. Bellovary a décrit la formation de galaxies avec une gamme de masses et d'histoires, et a discuté de la façon dont les résultats pourraient faire des prévisions sur la façon dont les trous noirs massifs sont dispersés dans l'univers.

Tout comme le travail antérieur de Volonteri, les simulations de Bellovary ont suggéré que les grosses galaxies n'étaient pas les seules à abriter de gros trous noirs; les galaxies chétives pourraient aussi les avoir.

Lors d'une session lors de la même réunion, Reines a mis en évidence sa découverte de la galaxie naine Henize 2-10 et de son trou noir anormalement massif. Comme deux trous noirs tournant autour l'un de l'autre et se heurtant ensuite, des simulations informatiques inattendues ont rencontré des observations du monde réel inattendues.

Le travail combiné suggérait que non seulement les galaxies massives avaient des gros trous noirs, mais peut-être que la majorité des galaxies en avaient aussi, dit Fan. Et cela posait de nombreuses nouvelles questions sur la croissance des trous noirs et des galaxies ensemble.

Après avoir entendu la présentation de Bellovary et publié ses propres découvertes, Reines a changé de cap dans sa recherche, passant de la naissance des étoiles à la recherche de gros trous noirs. Les géants l'ont attirée. Elle a lancé un effort pour les chercher dans les galaxies naines. Comme d'autres astronomes, elle a décidé de balayer le ciel à la recherche des anneaux de miettes cosmiques qui brûlent brillamment autour des trous noirs nourrissants au centre des galaxies - les noyaux actifs de galaxies. C'est là que devraient être les trous noirs, supposait-elle. "Je veux dire, c'est dans le nom, noyaux actifs de galaxies", explique-t-elle.

Reines a parcouru les données de l'Enquête de Sloan Digital Sky à la recherche des signatures de lumière visible des trous noirs centraux. Sur les quelque 25 000 galaxies naines de son analyse, 151 semblaient abriter un gros trou noir, ont rapporté elle et ses collègues en 2013.

Volonteri dit avoir été enchantée par les résultats. Ils ont validé son idée sauvage selon laquelle les galaxies naines pourraient avoir de très gros trous noirs et peut-être que ces trous noirs pourraient nous dire quelque chose sur les tout premiers trous noirs.

Un indice clé pourrait se trouver dans les masses des trous noirs des galaxies naines. Les deux grandes idées de la formation des premiers trous noirs créent des trous noirs de différentes masses. Une idée suppose que ces trous noirs se sont formés à partir de l'implosion des premières étoiles et auraient tendance à être relativement légers. L'autre idée suggère que les premiers trous noirs se sont formés à partir de l'effondrement direct de nuages géants de gaz et seraient plus lourds. Si l'idée de nuage de gaz est correcte, elle pourrait expliquer une autre énigme cosmique: comment les trous noirs dans l'univers primitif sont-ils devenus si gros si vite. "Nous les observons, et ils sont déjà énormes", dit Bellovary. Si l'histoire de l'univers était affichée sur une horloge, ces monstres n'auraient que quelques secondes pour se former, explique-t-elle.

Si les gros trous noirs dans les galaxies naines sont en effet des vestiges anciens des premiers moments de l'univers, leurs masses devraient être similaires à celles des premiers trous noirs. S'ils le sont, ils pourraient aider à expliquer comment les graines de certains des plus lourds trous noirs que nous voyons aujourd'hui se sont formées.

D'après une estimation récente, le trou noir de Henize 2-10 pèse quelques millions de soleils (SN: 9/11/21, p. 12). C'est un point de données en faveur de l'idée de l'effondrement direct des nuages de gaz, mais ce n'est qu'une mesure avec beaucoup d'hypothèses. Pour l'instant, mesurer les masses des trous noirs n'est pas une tâche facile.

Dans les simulations informatiques, les gros trous noirs n'apparaissent pas seulement au centre de la galaxie. Les simulations prédisent que cette galaxie en possède beaucoup dans son halo (cercles noirs). Les cinq trous noirs les plus lourds (orange) comprennent quatre qui sont déséquilibrés. Les vues simulées de gaz et de rayons X montrent comment ces trous noirs pourraient apparaître aux astronomes dans les images télescopiques.

Heureusement, il existe une autre façon d'obtenir un indice sur les masses des premiers trous noirs. Elle dépend fortement d'un autre type d'ovni - les gros trous noirs qui ne se trouvent pas exactement au centre des galaxies naines.

Lorsque Bellovary a partagé ses simulations en 2011, l'idée de gros trous noirs dans les galaxies chétives n'était pas la seule surprise. Son travail a également prédit que certains Kammapas seraient déséquilibrés par rapport aux centres de leurs galaxies, errant autour des bords des naines après avoir échoué à tomber sur leurs cœurs.

« J'aime toujours penser aux marginaux, aux petits rejets étranges ou aux non-conformistes », déclare Bellovary. Elle a choisi de relancer ses simulations en se concentrant sur les plus petites galaxies. Lorsqu'elle l'a fait, elle a découvert que la moitié des trous noirs massifs dans les galaxies naines devraient être excentrés, a-t-elle rapporté début 2019 dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Comme pour répondre à l'appel, Reines est arrivée quelques mois plus tard avec des observations qui ont renforcé les simulations de Bellovary. À l'aide du Very Large Array de télescopes radio situé au Nouveau-Mexique, Reines et ses collègues ont observé les émissions provenant de 111 galaxies naines, dont 13 avaient vraisemblablement de gros trous noirs. Parmi ces 13 gros trous noirs, quelques-uns semblaient être décalés du centre de leurs galaxies (SN : 6/22/19, p. 12).

Trouver des vagabonds était un jackpot. « Une fois qu'un trou noir commence à errer, il ne grandit plus en masse », explique Volonteri. Les vagabonds de masse la plus faible doivent correspondre approximativement à la masse initiale des tout premiers trous noirs, ce qui en fait un bon proxy pour les graines qui deviendront plus tard des trous noirs supermassifs.

Malheureusement, la masse des vagabonds est encore plus difficile à déterminer que la masse des kammapas assis au centre de leurs galaxies. Les chercheurs se tournent plutôt vers le nombre global de ces vagabonds pour trouver des indices. Si les premiers trous noirs - les graines des trous noirs supermassifs d'aujourd'hui - se sont formés à partir de l'effondrement direct de nuages de gaz énormes s'écoulant dans les galaxies, alors les vagabonds ne devraient pas être très courants dans les galaxies naines. C'est parce que la conversion de la masse d'un nuage de gaz en un trou noir massif est difficile et donc censée être un phénomène rare, explique Volonteri. Une façon plus facile de former des trous noirs primitifs - par implosion des premières étoiles - résulterait en beaucoup plus de vagabonds.

Un autre scénario possible que les scientifiques envisagent maintenant est de savoir si des fusions d'étoiles ou de trous noirs primitifs dans les noyaux de galaxies denses pourraient avoir créé les graines des trous noirs supermassifs. Ce processus entraînerait également beaucoup de vagabonds. Mais ces trous noirs seraient quelque peu plus massifs que les trous noirs formés à partir d'implosions stellaires.

Parce que les signes de vagabonds continuent d'apparaître, les chercheurs s'éloignent de plus en plus de l'idée d'un effondrement direct. Mais pour avoir une meilleure idée de la façon dont les gros trous noirs se sont formés, les chercheurs doivent recenser les trous noirs vagabonds non seulement dans l'univers proche, mais aussi dans le passé lointain, déclare Angelo Ricarte du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics de Cambridge, Mass. Nous devons savoir si ce qui se passe maintenant est similaire à ce qui s'est passé alors, car l'environnement dans l'univers primitif était très différent.

« J'aime toujours penser aux marginaux, aux petits rejets étranges ou aux non-conformistes. »

Les galaxies massives semblent également avoir des vagabonds, certains volant à travers leurs galaxies hôtes à 10 fois la vitesse des vagabonds dans les galaxies naines.

Mais les scientifiques ne sont pas entièrement sûrs que ces trous noirs devenus fous soient réels. Lorsqu'un de ces cas est apparu dans les simulations de Volonteri en 2003, les scientifiques l'ont ignoré. Les vagabonds sont réapparus dans les simulations de Bellovary. La réaction ? Le scepticisme. Et ce scepticisme est resté même lorsque les astronomes ont annoncé des signaux de rayons X brillants et flashy provenant de candidats vagabonds.

Il y a plusieurs années, une image du télescope spatial Hubble et des données d'autres observatoires ont offert la preuve d'un trou noir d'une valeur d'un milliard de soleils se faisant expulser vers le bord de sa galaxie (SN : 4/29/17, p. 16). Et plus tôt cette année, des images du télescope Hubble et de l'observatoire Keck ont révélé la possibilité d'une mise en interaction de trois trous noirs supermassifs, dont l'un a été tellement poussé qu'il a été éjecté dans l'espace intergalactique (SN : 4/8/23, p. 11). Mais une équipe séparée propose que ce que certains scientifiques appellent un trou noir vagabond pourrait plutôt être une galaxie vue de côté.

Volonteri continue de suivre chaque candidat vagabond, ainsi que d'autres trous noirs étranges que les astronomes ont proposés. Ils doivent tous trouver leur place dans notre compréhension complète de l'histoire des trous noirs supermassifs, dit-elle. Et une fois de plus, la fréquence à laquelle ils apparaissent dans les observations pourrait fournir des indices sur le tableau complet.

Si les observations montrent que les vagabonds à déplacement lent sont abondants, alors les collisions et les fusions de très gros trous noirs sont probablement rares. Les vagabonds à déplacement lent n'ont pas interagi avec d'autres trous noirs et n'ont donc pas récupéré de zing supplémentaire par rapport aux étoiles qui les entourent. L'histoire que l'univers nous raconterait est que les trous noirs supermassifs que nous voyons aujourd'hui ne se sont pas développés par des fusions répétées. Mais, dit Volonteri, s'il y a beaucoup de trous noirs supermassifs qui sont expulsés des centres de leurs galaxies vers les extrémités lointaines, les interactions de trous noirs, y compris les fusions, doivent être courantes.

With a few dozen candidate oddballs in dwarf galaxies and only a few far-flung rogue candidates identified, the picture is not yet clear. What we do know, Fan explains, is that understanding cosmic evolution requires a good sense of the birth and evolution of the “dark sector” of galaxies — including black holes.

More observational evidence of oddballs would help, and more astronomers have joined the search. In 2021, a team including Reines and Mallory Molina of the University of Utah in Salt Lake City reported a new way to spot signs of massive black holes in dwarfs, specifically if the behemoths are feeding on gas and dust. The technique searches dwarfs for a red glow given off by an unusual type of iron. And a team from Dartmouth reported last year that very-high-energy X-rays may also reveal obscure behemoths.

Future observatories may aid in the hunt too. The Vera C. Rubin Observatory, located in Chile and slated to turn on next year, can sweep the skies looking for wanderers. And the next-generation Very Large Array, a proposed radio observatory, will be sensitive enough to spot signs of black holes in dwarf galaxies.

With the goal of detecting collisions of very massive black holes, the Laser Interferometer Space Antenna, or LISA, and the proposed Einstein Telescope may one day offer clues to how common cataclysmic black hole interactions are and have been.

Time and new technology will tell. For now, oddball black holes spark our imagination, prompting us to ask big questions and uncover new evidence in the pursuit of a deeper understanding of cosmic history. With each purported discovery, you can’t help but wonder: What else is hidden out there? Perhaps there are other oddities not yet discovered that could tie us to the earliest universe, Bellovary says, and reveal our cosmic origins. But only if we’re willing to chase the misfits and their stories.