Ils occupent une place à part dans la typologie des trous noirs : contrairement à Sagittarius A*, solidement ancré au cœur de notre Voie lactée, ils n’orbitent plus autour d’aucun centre galactique, sans qu’on puisse non plus les comparer aux trous noirs stellaires, même si certains filent aussi à plusieurs millions de km/h. Les trous noirs vagabonds parcourent le cosmos en solitaire, sans direction apparente. D’où viennent-ils ? Et surtout, que peuvent-ils nous apprendre ? Une équipe d’astronomes de Yale et de l’Université du North Texas, menée par la doctorante Emma Jane Weller et la professeure Priyamvada Natarajan, vient de proposer une réponse à ces deux questions dans une étude publiée dans la revue The Astrophysical Journal Letters, le 7 septembre 2026.
D’après ces chercheurs, ils seraient d’anciens trous noirs, autrefois installés au centre de leur galaxie, qui en ont été délogés lors de fusions entre deux ou plusieurs galaxies. Selon la conclusion de leurs travaux, leur position actuelle dans l’espace livrerait également de précieuses informations quant à leur origine.
Un voyage virtuel de 12,6 milliards d’années pour tout comprendre
Pour remonter leur piste, les chercheurs ont utilisé ASTRID, une simulation cosmologique à très haute résolution qui modélise l’évolution conjointe de la matière noire, du gaz, des étoiles et des trous noirs depuis les premiers âges de l’Univers jusqu’à aujourd’hui. L’équipe a suivi des galaxies dont la masse stellaire s’échelonnait de 10 millions à 1 000 milliards de masses solaires, en retraçant leur trajectoire sur environ 12,6 milliards d’années.
L’intérêt central d’ASTRID, dans ces travaux, tient à la manière dont elle traite la dynamique des trous noirs. Dans les simulations de référence en cosmologie (IllustrisTNG, EAGLE, Horizon-AGN), un algorithme de « repositionnement » déplace les trous noirs, à chaque étape de calcul, vers le minimum du potentiel gravitationnel de leur galaxie, autrement dit vers son centre exact. C’est une fonctionnalité intéressante, puisqu’elle permet d’optimiser les modélisations, mais qui postule a priori que tous les trous noirs sont sédentaires.
Cette simulation fonctionne autrement, en simulant la friction dynamique, la force physique réelle par laquelle un objet massif perd progressivement de l’énergie cinétique en traversant un milieu d’étoiles et de matière noire, et migre lentement vers le centre. En conséquence, un trou noir délogé lors d’une collision galactique peut très bien ne jamais retrouver le centre de la nouvelle galaxie et poursuivre sa course indéfiniment, ce que les modèles utilisant le repositionnement artificiel empêchent par conception.
Après avoir employé ASTRID, les chercheurs en sont arrivés à la conclusion que le phénomène d’errance chez les trous noirs est bien plus fréquent dans les galaxies de faible masse. Quand une fusion galactique déloge un trou noir de sa position centrale, sa capacité à y revenir dépend entièrement du milieu dans lequel il se déplace : dans une galaxie massive, la densité de matière environnante (étoiles, matière noire, gaz) est telle que le trou noir interagit continuellement avec son voisinage et perd de l’énergie dès qu’une interaction gravitationnelle se produit avec son milieu. Dans une galaxie légère, cette friction est trop faible pour compenser l’impulsion initiale de l’éjection, et le trou noir poursuit sa dérive indéfiniment.
Les titans rejetés du cosmos ont une mémoire d’éléphant
Les chercheurs ont également réussi à mettre en lumière un autre phénomène : les galaxies de faible masse conserveraient, malgré des milliards d’années de fusions et d’accrétion, une « empreinte » de leur population initiale de trous noirs. Celles dans lesquelles la formation de nouvelles étoiles s’est arrêtée auraient davantage tendance à conserver un trou noir en leur centre, tandis que celles qui en produisent encore seraient plus susceptibles d’héberger des trous noirs vagabonds.
Les conditions dans lesquelles ils ont été engendrés dans l’Univers primitif peuvent être également déduites, comme l’explique Natarajan, qui est également chercheuse principale au sein du Black Hole Initiative de Harvard. « Ce qui est passionnant dans nos résultats, c’est que les trous noirs semblent se souvenir de bien plus que les circonstances de leur naissance. Leur position actuelle porte l’empreinte de tout ce qui est arrivé à leur galaxie hôte. En séparant les trous noirs situés au centre des galaxies de ceux qui errent, nous pouvons commencer à démêler ces deux histoires. Les trous noirs les plus révélateurs de l’Univers sont peut-être ceux qui se sont éloignés », précise-t-elle.
Les chercheurs souhaitent désormais confronter les résultats qu’ils ont obtenus par simulation à un protocole d’observations réelles, afin de confirmer pleinement leur hypothèse. Imagerie par rayons X profonds, spectroscopie optique et infrarouge, comme le permet James Webb, radioastronomie ou détection d’événements de rupture de marée (flash lumineux provoqués par la destruction d’étoiles par des trous noirs). « Chacune de ces méthodes peut sonder une partie différente de la population », explique Weller. « En combinant les observations avec les résultats des simulations, nous pourrions être en mesure d’identifier les empreintes de la formation des trous noirs et de l’évolution des galaxies. » Un programme ambitieux, qui pourrait enfin faire converger deux champs de recherche cloisonnés depuis le début des années 2000 : la cosmologie des premiers trous noirs et celle de la formation des galaxies.