Dans l’impression traditionnelle, les trous noirs sont souvent « retranchés » au centre des galaxies. Cependant,Des chercheurs de l'Observatoire de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences ont découvert un trou noir « agité » dans une galaxie naine située à environ 230 millions d'années-lumière de la Terre. Il n'est pas resté au cœur de la galaxie, mais s'est écarté du centre de près de 1 kiloparsec (environ 3 000 années-lumière) et a éjecté des jets radio. Ce trou noir « hors noyau, à accrétion in situ, porteur de jets » dans une galaxie naine proche est actuellement l'un des cas avec le décalage vers le rouge le plus faible et les preuves les plus solides.
Cette découverte renforce encore la compréhension selon laquelle « la croissance des trous noirs ne se limite pas au centre des galaxies » et offre une nouvelle perspective sur la compréhension de la croissance rapide des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif.Les résultats pertinents ont été publiés en ligne dans Science Bulletin le 5 septembre 2025.
Dans notre vision habituelle de l’univers, les trous noirs sont souvent considérés comme le « cœur » des galaxies. Cependant, de plus en plus d'observations montrent que certains trous noirs ne restent pas au centre des galaxies, mais s'écartent du noyau et « errent » dans le disque galactique ou sur les bords extérieurs. De tels objets sont appelés « trous noirs errants », errant dans l’univers comme des voyageurs perdus.
Pourquoi les chercher dans les galaxies naines ? Les galaxies naines ont de petites masses et des histoires évolutives relativement simples. Ils sont comme des « fossiles cosmiques » qui conservent des indices sur la croissance des premiers trous noirs. La théorie prédit que le recul des ondes gravitationnelles ou l'interaction de plusieurs corps après la fusion de galaxies peut facilement provoquer l'expulsion des trous noirs du centre des galaxies naines dotées de puits de potentiel gravitationnel peu profonds et devenir des trous noirs errant à la périphérie de la galaxie. Certaines simulations suggèrent même qu'une proportion significative des trous noirs des galaxies naines sont décalées du centre de près d'un millier de parsecs, mais les preuves observationnelles directes et sans équivoque font depuis longtemps défaut.
Une équipe internationale dirigée par le chercheur An Tao de l'Observatoire de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences a jeté son dévolu sur une galaxie naine nommée MaNGA 12772-12704, située à seulement environ 230 millions d'années-lumière de la Terre (redshift z≈0,017). Sur la base des données spectrales de champ de vision intégrées du Near Galaxy Spectral Survey (MaNGA), les chercheurs ont découvert que cette galaxie présente de faibles caractéristiques de noyaux galactiques actifs (AGN). La forme générale de la galaxie est régulière et il n'y a aucun signe évident de fusion ou de double AGN. Mais le point clé est que le rayonnement radio qui lui est associé n’est pas au centre géométrique de la galaxie, mais est décalé de près d’un millier de parsecs par rapport au centre.
Afin de confirmer sa nature, l’équipe a utilisé le radiotélescope Very Long Baseline Array (VLBA) pour réaliser des images profondes dans les bandes 1,6 GHz et 4,9 GHz. Les résultats montrent que la distance angulaire entre la source et le centre de la galaxie est de 2,68 secondes d'arc (correspondant à 0,94 kiloparsecs), que la température de luminosité du noyau radio dépasse un milliard de Kelvin et qu'une structure de rayonnement radio s'étendant sur environ 2,2 parsecs (7,2 années-lumière) dans la direction sud-est a été observée sur l'image à 1,6 GHz. Ce sont des caractéristiques typiques de l’AGN. De plus, l’équipe a également systématiquement passé au peigne fin les données d’archives de 1993 à 2023 et a constaté que la source montrait des changements non monotones « forts et faibles » sur une échelle de plusieurs décennies, cohérents avec le comportement « d’accrétion in situ à long terme » ; ceci est très différent de la loi commune de la désintégration monotone des restes de supernova sur une échelle de temps de plusieurs années, éliminant ainsi efficacement les « prétendants ». Combinée à la masse de l'étoile dans sa galaxie hôte, l'estimation empirique de la masse du trou noir est d'environ 300 000 fois la masse du soleil, ce qui entre dans la catégorie des trous noirs de masse intermédiaire (IMBH). En combinant plusieurs caractéristiques d'observation, il peut être confirmé qu'il s'agit d'un trou noir libre avec une accrétion active et des jets, et qu'il s'agit actuellement de l'une des galaxies naines les plus proches (décalage vers le rouge le plus faible). Le chercheur adjoint Liu Yuanqi a déclaré avec vivacité : « C'est comme un phare cosmique éclairé par un « trou noir errant ». Bien qu'il ait quitté le centre de la galaxie, il éjecte toujours de l'énergie vers l'extérieur.
Ce résultat est particulièrement frappant lorsqu’on l’examine dans une perspective statistique plus large. Parmi plus de 3 000 galaxies naines MaNGA, les chercheurs ont sélectionné 628 candidats AGN. Environ 62 % des sources présentaient des AGN s'écartant du centre optique de la galaxie, ce qui indique que la dénucléarisation n'est peut-être pas rare. Mais « candidat » n’est pas la même chose que « confirmation ». L'équipe d'An Tao a procédé à une sélection à plusieurs niveaux de plus de 600 candidats et a finalement sélectionné 11 cibles les plus prometteuses pour détecter les rayonnements radio, et a utilisé la sensibilité et la résolution les plus élevées pour suivre les observations. Parmi les observations de ces 11 sources cibles, seul MaNGA 12772-12704 présente en même temps la triple preuve d'une « température dense à haute luminosité, d'un jet de parsec et d'une variation de la lumière dans le domaine temporel sur 30 ans », devenant ainsi le seul cas confirmé à ce jour.
Faits saillants du papier
Cette recherche fait passer les « trous noirs errants » de la conjecture théorique à l'observation directe. Avec l'arrivée de la prochaine génération de télescopes, les « trous noirs manquants » ne seront peut-être plus rares : à l'avenir, des télescopes optiques à très grande ouverture seront capables de mesurer avec précision le centre optique et la structure des galaxies naines, d'acquérir des spectres haute résolution en profondeur, de résoudre les caractéristiques AGN faibles ou masquées, de découvrir davantage de candidats pour des trous noirs hors noyau ou libres et d'élargir la taille de l'échantillon.
Avec l'achèvement du FAST Core Array et du Square Kilometer Array Radio Telescope (SKA), les astronomes auront l'opportunité de mener des études systématiques du ciel avec une sensibilité et une résolution plus élevées, de détecter des signaux radio plus faibles et même de résoudre directement des micro-jets au niveau inférieur au parsec, apportant ainsi des percées dans la confirmation et la recherche statistique des trous noirs excentriques. Peut-être qu’à l’avenir nous réaliserons que les trous noirs errants dans l’univers ne sont pas rares. Ils sont comme des « voyageurs invisibles » aux confins des galaxies, affectant silencieusement et profondément le cours de la vie des galaxies.