Trois trous noirs supermassifs découverts dans une seule et même galaxie ancienne

L'équipe a utilisé des cartes de canaux du profil Hα central asymétrique pour isoler deux régions de raies larges (BLR) spatialement distinctes dans le centre galactique, séparées de 190±40 parsecs (environ 620 années-lumière). Une troisième BLR a été découverte dans la périphérie de la galaxie, à une séparation projetée de 1,7 kiloparsec (environ 5 500 années-lumière) .

Les trois trous noirs : masses et emplacements

En utilisant des relations viriales à une époque, les astronomes ont estimé les masses des trois trous noirs :

• Trou noir central principal : log(M☉) = 7,9 ± 0,4, soit environ 80 millions de masses solaires
• Trou noir central secondaire : log(M☉) = 5,8 ± 0,5, soit environ 600 000 masses solaires
• Trou noir externe : log(M☉) = 6,3 ± 0,4, soit environ 2 millions de masses solaires

Les auteurs de l'étude soulignent que ces estimations de masse comportent des incertitudes substantielles — le résultat central est la découverte de trois trous noirs massifs actifs, et non les valeurs précises de leur masse .

Deux des trous noirs se trouvent proches l'un de l'autre dans le centre galactique, séparés par seulement 620 années-lumière en projection. Le troisième trou noir est situé dans la région externe de la galaxie, à environ 5 500 années-lumière du centre .

Croissance dans l'Univers primordial et voie vers la fusion

J0148-4214 offre une fenêtre unique sur la façon dont les trous noirs supermassifs ont pu croître si rapidement dans l'Univers jeune. Le système suggère que les fusions et interactions étaient efficaces pour rapprocher les trous noirs massifs, offrant une voie rapide pour leur croissance . C'est la première preuve que des systèmes triples de trous noirs existaient dans le premier 1,2 milliard d'années de l'histoire cosmique.

Les deux trous noirs centraux, distants de seulement 620 années-lumière, devraient finir par fusionner. Cette paire rapprochée prépare le terrain pour les fusions de trous noirs massifs que les futurs observatoires d'ondes gravitationnelles — comme le Laser Interferometer Space Antenna (LISA) — sont conçus pour détecter. La découverte démontre que de telles paires rapprochées existaient bien plus tôt qu'on ne le savait .

« C'est la première preuve de trois trous noirs actifs dans une seule galaxie de l'Univers lointain », a déclaré Hannah Übler, responsable de groupe de recherche à l'Institut Max Planck de physique extraterrestre et auteure principale de l'étude .

Implications pour l'astronomie des ondes gravitationnelles

Les deux trous noirs centraux de J0148-4214 sont séparés de quelques centaines de parsecs seulement, ce qui signifie qu'ils sont liés gravitationnellement et sur une trajectoire de collision. Lorsqu'ils finiront par fusionner, ils produiront des ondes gravitationnelles détectables par les observatoires spatiaux comme LISA, conçu pour observer les fusions de trous noirs massifs. La découverte montre que de telles paires rapprochées existaient beaucoup plus tôt dans l'histoire cosmique qu'on ne le pensait, offrant aux astronomes des ondes gravitationnelles une cible claire et confirmant que l'Univers primordial était un environnement bouillonnant de fusions de trous noirs .

Pourquoi cette découverte est importante

• Une première du genre : Aucune galaxie de l'Univers lointain n'avait jamais été confirmée comme abritant trois trous noirs supermassifs en accrétion active.
• Croissance rapide : Le système suggère que les fusions et interactions de galaxies étaient efficaces pour rapprocher les trous noirs, expliquant comment ils ont pu croître si rapidement après le Big Bang.
• Précurseur d'ondes gravitationnelles : La paire centrale rapprochée est une future fusion probable de trous noirs, offrant un laboratoire naturel pour étudier les événements que LISA détectera.
• Capacité unique du JWST : Cette détection n'a été possible que grâce à la spectroscopie à résolution spatiale du JWST, qui peut distinguer de multiples noyaux actifs dans des galaxies lointaines et faibles .

Les résultats sont publiés dans une prépublication sur arXiv.org sous le nom d'étude « BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy » .

Prochaines étapes

Les astronomes prévoient d'effectuer des observations de suivi avec le JWST pour étudier la dynamique du système plus en détail et rechercher des galaxies triples similaires dans d'autres champs de l'Univers primordial. Cette découverte ouvre un nouveau chapitre dans la compréhension de la formation des objets les plus massifs de l'Univers — et de la façon dont ils continuent de façonner le cosmos par le biais de fusions.