Le Monstre de NGC 1277 : un Trou Noir qui Défie les Théories

Super trou noir dans NGC 1277 — Le trou noir supermassif de la galaxie NGC 1277 s'est révélé, après plusieurs révisions successives de sa masse, nettement moins extrême qu'annoncé en 2012, mais reste l'un des plus disproportionnés connus par rapport à sa galaxie hôte.
Source image : NGC 1277 prise par le télescope Hubble NASA, ESA, Andrew C. Fabian (Université de Cambridge) / Remco van den Bosch (Institut Max-Planck d'astronomie)

Résumé scientifique

L'article d'Astronoo présente NGC 1277, une galaxie lenticulaire de l'amas de Persée dont le trou noir central, initialement estimé à 17 milliards de masses solaires en 2012, a depuis été révisé à la baisse par plusieurs équipes indépendantes, convergeant plutôt vers 1,2 à 5 milliards de masses solaires. Même revue à la baisse, cette masse reste disproportionnée par rapport à celle attendue des relations de coévolution habituelles entre trous noirs et galaxies. Les observations spectroscopiques et photométriques suggèrent une croissance précoce ou une histoire particulière. Une étude de 2023 a par ailleurs montré que NGC 1277 est quasiment dépourvue de matière noire jusqu'à cinq rayons effectifs, une anomalie supplémentaire pour une galaxie de cette masse. NGC 1277 devient ainsi un laboratoire naturel pour tester les modèles de formation des trous noirs supermassifs, la dynamique stellaire, la matière noire et la relativité générale en régime fort.

Pourquoi le trou noir de NGC 1277 défie-t-il les théories astrophysiques ?

Cet article est consacré au trou noir supermassif de la galaxie NGC 1277, située à environ 220 millions d'années-lumière dans l'amas de Persée. La question centrale est simple : pourquoi ce monstre cosmique défie-t-il les théories astrophysiques ? La réponse tient d'abord à sa masse. Annoncée en 2012 à 17 milliards de masses solaires, soit environ 14 % de la masse stellaire totale de la galaxie, cette estimation s'est révélée trop élevée : des réanalyses successives des mêmes données, puis de nouvelles observations à plus haute résolution angulaire, ont ramené la masse du trou noir dans une fourchette de 1,2 à 5 milliards de masses solaires. Même ainsi révisée, cette masse reste très supérieure à ce qu'annoncent les relations empiriques liant un trou noir à la luminosité de sa galaxie hôte, alors que les trous noirs centraux n'en représentent généralement que 0,1 % à 0,5 % de la masse du sphéroïde. Cette disproportion continue de remettre en cause la relation de coévolution entre un trou noir et sa galaxie hôte. Ensuite, NGC 1277 semble être une galaxie relicte, peu active et dominée par une population stellaire ancienne, quasiment dépourvue de matière noire d'après les observations les plus récentes. Elle aurait donc conservé la mémoire d'une époque où les trous noirs ont pu croître très vite. Enfin, un tel objet permet de tester la relativité générale, la dynamique stellaire, la distribution de matière noire et la statistique des trous noirs extrêmes. C'est ce qui en fait un laboratoire naturel exceptionnel pour l'astrophysique moderne.

Trous Noirs

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

Les Trous Noirs sont des objets massifs dont le champ gravitationnel est si intense, qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper, étoiles, planètes, matière, énergie, et même la lumière. Les trous noirs sont décrits par la théorie de la relativité générale. Lorsque le cœur de l'étoile morte est trop massif pour devenir une étoile à neutrons, il se contracte inexorablement jusqu'à former cet objet astronomique mystérieux : le trou noir.

Des étoiles sombres à John Michell

Les trous noirs stellaires ont une masse de quelques masses solaires à des milliards de masses solaires. Ils naissent à la suite de l’effondrement gravitationnel du résidu des étoiles massives. Un homme prédisait déjà au 18ème siècle, l'existence d'étoiles sombres, le physicien, astronome et géologue britannique, John Michell (1724-1793). Dans ses notes il écrit que lorsqu'une étoile devient trop massive, elle attire la lumière sous l'influence de sa force gravitationnelle. Cependant comme ses calculs donnent une densité de l'étoile correspondant à 18 milliards de tonnes dans un cm3, il conclut que cela ne peut pas exister.

Découverte du trou noir super massif NGC 1277

Une galaxie de l'amas de Persée

NGC 1277 est une galaxie lenticulaire située dans l'amas de Persée, à environ 220 millions d'années-lumière de la Terre. Découverte en 1875 par l'astronome irlandais Lawrence Parsons (1840-1908), cette galaxie est devenue un objet d'étude privilégié depuis la révélation en 2012 de son trou noir central exceptionnellement massif. Ce système unique défie les modèles standards de formation galactique et offre aux astrophysiciens une fenêtre unique sur les processus extrêmes gouvernant l'évolution des galaxies.

Une masse révisée : l'histoire d'une controverse scientifique

De 17 milliards à quelques milliards de masses solaires

L'annonce initiale de van den Bosch et ses collègues (2012), fondée sur des données spectroscopiques à relativement basse résolution angulaire obtenues avec le télescope Hobby-Eberly, proposait une masse de 17 (±3) milliards de masses solaires, soit environ 59 % de la masse du bulbe stellaire et 14 % de la masse stellaire totale de la galaxie. Cette annonce a immédiatement suscité un vif débat dans la communauté scientifique.

Dès 2013, une réanalyse des mêmes données par Eric Emsellem, utilisant une modélisation dynamique différente (Jeans Anisotropic Modelling), a suggéré que la masse avait probablement été surestimée, proposant une valeur plutôt de l'ordre de 2 à 5 milliards de masses solaires, et montrant que des modèles sans trou noir massif du tout pouvaient également ajuster raisonnablement les données. En 2016, deux équipes indépendantes utilisant l'optique adaptative pour sonder le centre de la galaxie à bien plus haute résolution ont confirmé cette révision à la baisse : Walsh et ses collègues, avec le spectromètre NIFS du télescope Gemini Nord, ont obtenu une masse de (4,9 ± 1,6) milliards de masses solaires, tandis que Graham et ses collègues, avec le télescope Keck, ont trouvé une masse plafond d'environ 1,2 milliard de masses solaires, soit un ratio trou noir/sphéroïde de seulement 0,45 %, jugé conforme à la fourchette normale (0,1 % à 5,0 %) observée dans les galaxies elliptiques non naines. Une étude ultérieure de Krajnović et ses collègues (2018), utilisant une modélisation dynamique de type JAM sur les mêmes données à haute résolution, a confirmé une masse proche de 4,5 à 4,9 milliards de masses solaires.

N.B. :
La masse du trou noir de NGC 1277 fait toujours l'objet d'un débat scientifique actif. Les estimations publiées varient d'environ 1,2 à 17 milliards de masses solaires selon la méthode et la résolution angulaire employées (spectroscopie longue-fente à basse résolution, modélisation de Schwarzschild, modélisation de Jeans anisotrope, optique adaptative). La valeur de 17 milliards, souvent reprise dans la presse grand public, correspond à l'annonce initiale de 2012 et n'est plus considérée comme la meilleure estimation disponible : les observations à plus haute résolution angulaire (Walsh et al. 2016 ; Graham et al. 2016 ; Krajnović et al. 2018) convergent vers une masse plusieurs fois inférieure. Même la valeur la plus basse reste toutefois nettement supérieure à ce que prédit la relation masse du trou noir–luminosité du sphéroïde, ce qui maintient l'intérêt scientifique de cet objet.

Caractéristiques exceptionnelles du trou noir NGC 1277

Des propriétés hors norme

Le trou noir supermassif au cœur de NGC 1277 présente des propriétés remarquables :

Masse révisée : entre 1,2 et 5 milliards de masses solaires selon la méthode retenue (contre 17 milliards annoncés initialement en 2012)
Ratio trou noir/sphéroïde : de l'ordre de 0,45 % à 2 % selon l'étude (contre ~14 % de la masse stellaire totale annoncés en 2012), à comparer aux ~0,1 %-0,5 % typiques
Horizon des événements : de l'ordre de 25 à 100 fois la distance Terre-Soleil, selon la masse retenue
Disque d'accrétion : activité réduite malgré la masse exceptionnelle
Matière noire : fraction quasi nulle détectée jusqu'à cinq rayons effectifs (voir chapitre dédié ci-dessous)

Implications astrophysiques du trou noir supermassif de NGC 1277

Les implications astrophysiques de la découverte du trou noir supermassif dans NGC 1277 sont profondes et remettent en question plusieurs paradigmes en astrophysique galactique, même après la révision à la baisse de sa masse.

Remise en question de la relation de coévolution trou noir-galaxie

Dans le modèle standard, les galaxies et leurs trous noirs centraux évoluent ensemble : la masse du trou noir est corrélée à des propriétés globales de la galaxie, comme la dispersion de vitesse stellaire (relation M–σ), la masse du bulbe, ou encore la luminosité sphéroïdale. Même avec une masse révisée à quelques milliards de masses solaires, le trou noir de NGC 1277 reste, selon les études, plus d'un ordre de grandeur au-dessus de ce que prédit la relation masse–luminosité, tout en restant compatible avec la relation M–σ pour une dispersion de vitesse centrale d'environ 400 km/s. Ce désaccord persistant suggère que :

Soit la galaxie a perdu de la masse stellaire depuis sa formation (galaxie "anémiée"),
Soit le trou noir a crû anormalement vite,
Soit il existe une classe de galaxies relictes échappant aux relations de coévolution classiques.

Existence possible de trous noirs "primordiaux géants"

Certains modèles suggèrent que les trous noirs de galaxies comme NGC 1277 se seraient formés très tôt (z > 2), durant les premières phases de formation galactique, dans des environnements très denses et favorables à une croissance rapide (accrétion quasi-Eddington soutenue, fusions rapides, etc.). NGC 1277 pourrait donc héberger un trou noir fossile de l'époque des quasars, resté relativement inactif depuis. Une hypothèse alternative, plus exotique et débattue, propose que ce trou noir ait été éjecté de la galaxie voisine NGC 1275 lors de la fusion de deux galaxies elliptiques géantes, avant d'être capturé par NGC 1277.

Galaxie fossile : témoin d’un univers jeune

NGC 1277 est une galaxie compacte, lenticulaire, très peu active en formation d’étoiles, présentant une population stellaire vieille (> 10 Gyr) et peu de gaz. Cela en fait une galaxie relicte :

Elle n’a pratiquement pas évolué depuis le z ≈ 2,
Elle n’a pas fusionné ni accru significativement sa masse depuis l’époque de formation des galaxies massives.

Statistiques des trous noirs extrêmes sous-évaluées

Si d'autres galaxies compactes et anciennes comme NGC 1277 abritent elles aussi des trous noirs disproportionnés, alors :

Les estimations statistiques de la densité de masse en trous noirs dans l’univers local (Ω_BH) pourraient être sous-évaluées.
Cela affecte les prévisions de détection d’ondes gravitationnelles de sources extragalactiques massives (par LISA, p.ex.).

Tests gravitationnels à forte courbure

La masse extrême du trou noir de NGC 1277 en fait un candidat pour tester la relativité générale en régime fort :

Influence sur la dynamique stellaire proche du centre,
Profil relativiste des raies d’émission (si présence de disque),
Précession de Lense-Thirring théorique (non observée ici, mais intéressante dans un cadre général).

Une découverte majeure en 2023 : une galaxie quasiment dépourvue de matière noire

Des observations inédites jusqu'à cinq rayons effectifs

En 2023, une équipe menée par Sébastien Comerón et Ignacio Trujillo a publié dans Astronomy & Astrophysics une étude approfondie de la cinématique stellaire de NGC 1277, utilisant le spectrographe à champ intégral George et Cynthia Mitchell (GCMS) au télescope de 2,7 m de l'observatoire McDonald. Cette étude a permis de sonder la galaxie jusqu'à un rayon inédit de 6 kiloparsecs, soit environ cinq fois son rayon effectif, une couverture bien plus large que celle des études précédentes.

À l'aide d'une modélisation dynamique de Jeans anisotrope, l'équipe a déterminé que la fraction de matière noire dans NGC 1277 reste inférieure à 5 % (à un niveau de confiance de deux sigma) dans ce volume, alors que les modèles cosmologiques standards (ΛCDM) prédisent une fraction bien plus élevée, de l'ordre de 60 %, pour une galaxie elliptique massive de ce type observée à un tel rayon. Ce résultat confirme et étend des indications plus anciennes, obtenues sur un volume plus restreint, selon lesquelles peu ou pas de matière noire seraient nécessaires pour expliquer la cinématique stellaire observée dans les régions centrales de la galaxie.

Pourquoi une telle anomalie ?

Les auteurs proposent deux explications principales, non mutuellement exclusives : soit NGC 1277 aurait perdu très précocement son halo de matière noire, par exemple lors d'un effet de marée subi au sein de l'amas de Persée ; soit elle en aurait été dépourvue dès l'origine, si elle s'est formée lors d'une collision à grande vitesse (de l'ordre de 2000 km/s) entre fragments proto-galactiques riches en gaz, un scénario dans lequel la matière noire, moins dissipative que les baryons, se serait découplée du disque gazeux en formation.

Cette absence de halo massif expliquerait également pourquoi NGC 1277 n'a jamais accrété l'enveloppe stellaire étendue caractéristique des galaxies elliptiques massives ordinaires : sans halo de matière noire substantiel, la friction dynamique qui permet habituellement aux galaxies satellites d'être capturées par accrétion serait fortement réduite, ce qui expliquerait le caractère "figé" de cette galaxie relicte depuis environ dix milliards d'années.

N.B. :
Pour comparaison, l'étude souligne que la galaxie voisine NGC 1278, une galaxie elliptique massive ordinaire observée avec le même instrument et dans le même champ de vue, présente au contraire une fraction de matière noire tout à fait conforme aux prédictions du modèle standard, ce qui renforce la spécificité du cas de NGC 1277 plutôt qu'un biais méthodologique.

Méthodes d'observation du trou noir supermassif de NGC 1277

Des techniques complémentaires

L'étude de ce système repose sur plusieurs techniques complémentaires d'observation. Chaque méthode ne « voit » pas la même chose : certaines mesurent le mouvement des étoiles, d'autres la distribution de la lumière, ou encore la dynamique du gaz. C'est en croisant ces informations que les astrophysiciens parviennent à sonder l'invisible : la masse du trou noir central et la répartition de la matière noire.

Concrètement, la spectroscopie analyse la lumière décomposée en longueurs d'onde. En mesurant le décalage Doppler des raies d'absorption ou d'émission, on déduit la vitesse des étoiles ou du gaz le long de la ligne de visée. Plus les étoiles proches du centre se déplacent vite, plus la masse cachée qui les attire est grande. La photométrie, elle, mesure la répartition de la luminosité pour reconstruire la structure de la galaxie.

Technique	Instrument	Ce qui est observé	Résultats clés
Spectroscopie longue-fente	HET (Hobby-Eberly Telescope)	Vitesses stellaires le long d'une fente fine traversant le centre	Première estimation de masse (2012), depuis révisée
Spectroscopie à champ intégral avec optique adaptative	Gemini North (NIFS) / Keck	Cartographie 2D des vitesses stellaires à très haute résolution angulaire	Mesures de masse à haute résolution (2016), nettement inférieures
Spectroscopie à champ intégral, large couverture	McDonald Observatory (GCMS)	Vitesses stellaires jusqu'à 5 rayons effectifs (~6 kpc)	Fraction de matière noire négligeable dans ce rayon (2023)
Photométrie haute résolution	Hubble Space Telescope	Répartition de la lumière et profil de surface du sphéroïde	Profil de luminosité et structure du sphéroïde
Cinématique gazeuse	ALMA / IRAM	Mouvement du gaz moléculaire (CO) autour du centre	Dynamique du milieu interstellaire

Références

FAQ : Tout savoir sur NGC 1277

Qu'est-ce que NGC 1277 ?

NGC 1277 est une galaxie lenticulaire située dans l'amas de Persée, à environ 220 millions d'années-lumière de la Terre. Elle est surtout connue pour son trou noir supermassif central, dont la masse est aujourd'hui estimée entre 1,2 et 5 milliards de masses solaires selon les études, après plusieurs révisions à la baisse depuis l'annonce initiale de 17 milliards de masses solaires en 2012.

Pourquoi le trou noir de NGC 1277 est-il dit « extrême » ?

Même après révision à la baisse de sa masse, il reste qualifié d'extrême car il représente, selon la méthode retenue, entre 0,45 % et 2 % environ de la masse stellaire de la galaxie, alors que les trous noirs centraux n'en représentent habituellement que 0,1 % à 0,5 %. Ce ratio, ainsi que l'écart avec la relation masse–luminosité, continue de défier les relations de coévolution classiques entre un trou noir et sa galaxie.

La masse de 17 milliards de masses solaires souvent citée est-elle toujours d'actualité ?

Non. Cette valeur correspond à l'annonce initiale de van den Bosch et ses collègues en 2012, fondée sur des données à relativement basse résolution angulaire. Des observations ultérieures à plus haute résolution, obtenues avec l'optique adaptative (Walsh et al. 2016 ; Graham et al. 2016 ; Krajnović et al. 2018), ont révisé cette masse à la baisse, vers une fourchette de 1,2 à 5 milliards de masses solaires. La valeur de 17 milliards reste néanmoins largement reprise dans la presse grand public, souvent sans mention de cette révision.

Comment les astronomes ont-ils mesuré la masse du trou noir de NGC 1277 ?

La mesure repose principalement sur la spectroscopie intégrale de champ et sur l'analyse de la dispersion de vitesse stellaire près du centre de la galaxie. En modélisant la dynamique des étoiles, les chercheurs peuvent déduire la masse de l'objet central. Les mesures les plus récentes et les plus précises utilisent l'optique adaptative, qui permet de sonder une région beaucoup plus proche du centre galactique que les observations initiales.

NGC 1277 remet-elle vraiment en cause la relation trou noir-galaxie ?

Oui, en partie. La relation M–σ, qui lie la masse du trou noir à la dispersion de vitesse stellaire, reste globalement vérifiée pour NGC 1277. En revanche, la relation liant la masse du trou noir à la luminosité du sphéroïde continue d'être largement dépassée, même avec les estimations de masse revues à la baisse. Plusieurs explications sont envisagées : perte de masse stellaire, croissance très précoce du trou noir, ou existence d'une classe de galaxies relictes échappant aux relations classiques.

NGC 1277 est-elle une galaxie fossile ?

Elle présente en effet plusieurs caractéristiques d'une galaxie fossile : elle est compacte, lenticulaire, pauvre en gaz et dominée par une population stellaire ancienne. Elle semble avoir peu évolué depuis une époque reculée, ce qui en fait un témoin précieux des premières phases de formation des galaxies massives.

Est-il vrai que NGC 1277 manque de matière noire ?

Oui, c'est l'une des découvertes marquantes de ces dernières années. Une étude publiée en 2023 a montré, à partir de nouvelles observations couvrant la galaxie jusqu'à cinq rayons effectifs, que la fraction de matière noire y est inférieure à 5 %, très en deçà des ~60 % attendus pour une galaxie de cette masse selon les modèles cosmologiques standards. Cette anomalie pourrait être liée à l'histoire de formation très particulière de la galaxie.

Peut-on observer directement le trou noir de NGC 1277 ?

Non, un trou noir n'est pas observable directement. On détecte son influence par ses effets gravitationnels sur les étoiles et le gaz environnants, ainsi que par le rayonnement émis par son disque d'accrétion lorsqu'il est actif. Dans NGC 1277, l'activité est réduite, mais la dynamique stellaire permet d'en déduire la présence et la masse.