Découverte d’un trou noir dormant à 6 milliards de masses solaires à 10 milliards d’années-lumière

Des chercheurs ont détecté le trou noir dormant le plus éloigné jamais observé, datant des premiers temps de l’univers. Cette découverte donne accès à un objet cosmique massif désormais silencieux.

Jusqu’à présent, les astronomes étudiaient l’univers ancien principalement grâce aux quasars, des trous noirs supermassifs en pleine activité d’absorption de matière. Ces sources lumineuses ne révèlent toutefois qu’une partie du tableau. L’équipe internationale, incluant des scientifiques de l’UCL, a identifié ce trou noir dans la galaxie MRG-M0138, située à plus de 10 milliards d’années-lumière de la Terre. Publiée dans la revue Science, cette découverte multiplie par 15 la distance record précédente pour un trou noir dormant.

Avec une masse estimée à environ 6 milliards de fois celle du Soleil, ce trou noir est observé alors que l’univers n’avait que 3 milliards d’années. Son existence offre une occasion unique d’étudier l’évolution simultanée des trous noirs massifs et de leurs galaxies hôtes à cette époque.

Pour mesurer sa masse, les chercheurs ont exploité les données du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, en analysant les mouvements des étoiles gravitant autour de cet objet invisible. Cette méthode dite de dynamique stellaire, déjà utilisée pour des trous noirs dormants dans des galaxies proches, est appliquée ici pour la première fois à une distance cosmologique aussi grande.

Le professeur Richard Ellis (UCL Physique & Astronomie), auteur principal, a expliqué : « Étudier les déplacements collectifs des étoiles au cœur de cette galaxie lointaine nous a permis de mesurer la masse de son trou noir supermassif par ailleurs indétectable. En démontrant la faisabilité de cette technique pour des galaxies de l’univers primordial, nous pouvons désormais dresser un inventaire plus complet du développement des trous noirs au fil du temps et comprendre leur rôle dans l’évolution des galaxies. »

Les trous noirs n’émettent pas de lumière, mais le gaz qui tombe en leur direction peut produire une forte radiation. Ces objets lumineux, appelés noyaux actifs de galaxies ou quasars, sont parmi les phénomènes les plus brillants de l’univers et sont relativement faciles à détecter.

Le trou noir supermassif de MRG-M0138 est, en revanche, inactif. Faute d’absorption de gaz, il n’est détectable que par son influence gravitationnelle sur les étoiles proches.

En mesurant les vitesses combinées des étoiles orbitant autour du centre galactique, l’équipe a confirmé la présence du trou noir et évalué sa masse. Les variations de vitesse entre les étoiles proches du trou noir et celles situées plus loin ont fourni les données nécessaires.

Cette méthode est comparable à celle employée pour estimer la masse du trou noir central de notre galaxie, la Voie lactée, ainsi que dans plusieurs galaxies proches. Cependant, c’est la première fois qu’elle est utilisée à une telle distance extrême. Le précédent record de distance pour cette technique était d’environ 700 millions d’années-lumière.

Observer les mouvements stellaires dans une galaxie aussi éloignée aurait été impossible sans un effet naturel de loupe cosmique : le lentillage gravitationnel.

Une galaxie située entre la Terre et MRG-M0138 dévie et concentre la lumière de cette dernière, amplifiant son image par un facteur 30. Cette amplification a permis de reconstruire la structure interne de la galaxie avec un niveau de détail autrement inaccessible.

Le Dr Andrew Newman, auteur principal basé au Carnegie Science de Pasadena, Californie, a déclaré : « En combinant les données du JWST avec le lentillage gravitationnel, nous avons pu observer l’influence gravitationnelle du trou noir, qui accélère les étoiles. C’est l’une des meilleures méthodes pour peser un trou noir, et nous étions ravis de l’appliquer à une période beaucoup plus ancienne de l’histoire cosmique. »

Quelques trous noirs dormants de cette taille avaient déjà été identifiés, mais tous à des distances bien moindres.

Cette découverte apporte des indices essentiels sur la coévolution des galaxies et de leurs trous noirs centraux dans l’univers primitif. Les observations des galaxies proches ont montré un lien étroit entre la masse d’une galaxie et celle de son trou noir, mais il manque encore des données sur les époques plus anciennes pour comprendre la formation de cette relation.

L’équipe a constaté que le trou noir et sa galaxie hôte sont tous deux inactifs. La galaxie ne forme plus d’étoiles, ce qui suggère que MRG-M0138 a pu abriter un quasar brillant dans le passé. Les chercheurs pensent que la croissance rapide du trou noir a libéré une énergie suffisante pour chauffer ou expulser le gaz nécessaire à la formation d’étoiles, stoppant ainsi ce processus.

Les scientifiques anticipent que de futures observations avec le JWST et d’autres télescopes spatiaux révéleront de nombreux autres trous noirs dormants issus de l’univers ancien. Ces découvertes pourraient éclairer les mécanismes par lesquels les trous noirs freinent la formation stellaire et comment ils peuvent se réactiver quand de nouvelles matières leur parviennent.

Référence : « A stellar dynamical mass measurement of an inactive black hole at redshift 2 » par Andrew B. Newman et al., 4 juin 2026, Science. DOI : 10.1126/science.adx5816