Un point rouge extrêmement brillant repéré dans l’univers primordial pourrait être une « étoile trou noir », un étrange objet cosmique qui combinerait les caractéristiques d’une étoile et celles d’un trou noir. L’objet serait entouré d’une enveloppe gazeuse dont la taille serait comparable à celle du Système solaire et dont la luminosité serait des dizaines de milliards de fois supérieure à celle d’une étoile ordinaire — une énergie équivalente à celle qu’un trou noir pourrait générer.
Les mécanismes physiques sous-tendant la formation des trous noirs supermassifs avoisinant le milliard de masses solaires au cours des 700 premiers millions d’années de l’Univers demeurent en grande partie mystérieux. Plusieurs théories ont été avancées, telles que l’existence d’objets cosmiques progéniteurs ou de germes susceptibles de donner naissance à des trous noirs supermassifs.
Les modèles suggèrent que ces germes pourraient s’être formés à l’intérieur des premières galaxies ou être liés à des régions denses d’effondrement gravitationnel dans l’univers primitif. Étayer ces théories par le biais d’observations directes reste cependant difficile. Des chercheurs apportent une nouvelle pièce du puzzle en identifiant un étrange objet primitif dont les propriétés combinent certains traits associés aux étoiles et aux trous noirs.
« Nous présentons ici une source, 660 millions d’années après le Big Bang, qui présente des propriétés singulières … Cette source pourrait témoigner de l’existence d’un trou noir plongé dans un gaz dense – une configuration théorique proposée pour expliquer la croissance rapide des trous noirs par accrétion super-Eddington », écrivent les chercheurs dans leur étude parue le 12 août dans la revue Nature.
Un spectre qui ne ressemble à aucun autre
L’équipe de l’étude cherchait initialement à recenser les galaxies les plus anciennes et les plus éloignées du cosmos dans le cadre du projet « Mirage ou Miracle » (MoM). Pour ce faire, elle a utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) pour sonder l’espace profond jusqu’à quelques centaines de millions d’années après le Big Bang.
En analysant les données du télescope, les astronomes ont remarqué un point qui se démarquait clairement des autres : une tache très rouge et très lumineuse dans la constellation de la Baleine et datant de 660 millions d’années après le Big Bang.
« Lorsqu’on observe une couleur rouge intense dans l’univers, on suppose souvent qu’elle est entourée de poussière, comme de la suie ou des cendres », explique au MIT News, Robert Simcoe, directeur de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT et coauteur de l’étude.
« De la même manière que la fumée des feux de forêt au Canada a récemment donné au ciel de Boston une teinte rouge vif, les objets astronomiques peuvent aussi paraître plus rouges que leur couleur intrinsèque lorsqu’on les observe à travers un voile de poussière. »
Les caractéristiques de l’objet, baptisé MoM-BH*-1, ne correspondaient cependant pas à celles attendues d’un objet dont la lumière serait fortement atténuée par la poussière. En effet, la lumière qu’il émettait était extrêmement puissante sauf à certaines longueurs d’onde, où elle semblait complètement absente.
Image du JWST montrant l’étoile trou noir dans l’encadré jaune. © Naidu et al.
Appelée « rupture de Balmer », cette discontinuité du spectre est notamment liée à l’absorption par l’hydrogène dans les atmosphères stellaires. Elle est particulièrement marquée dans les populations dominées par des étoiles de type A. Véga, l’une des étoiles les plus brillantes du ciel, présente par exemple ce phénomène.
Cependant, la rupture observée chez MoM-BH*-1 figure parmi les ruptures de Balmer les plus fortes jamais mesurées dans ce type de source et ne pourrait être produite par des étoiles ordinaires, selon les chercheurs. Les chercheurs envisagent notamment l’hypothèse d’une enveloppe gazeuse produisant un spectre semblable à celui d’une atmosphère stellaire, mais à une échelle exceptionnelle.
Le spectre est dominé par les signatures de l’hydrogène et de l’hélium, avec très peu de raies métalliques détectables.
Un trou noir caché sous une enveloppe d’étoile
Les chercheurs ont effectué des simulations pour identifier quel scénario pourrait produire un objet aussi atypique. Les simulations montrent qu’une enveloppe extrêmement dense dominée par l’hydrogène peut reproduire une partie des caractéristiques observées.
Ce scénario serait également compatible avec la rupture de Balmer observée, mais n’expliquerait toutefois pas encore l’extrême luminosité de l’objet. Sa luminosité est de l’ordre de 100 milliards de fois supérieure à celle d’une étoile ordinaire, suggérant que la source d’énergie en son cœur n’est pas la fusion nucléaire mais quelque chose de beaucoup plus puissant.
Cette luminosité correspondrait plutôt à celle attendue d’un trou noir en train d’accréter activement de la matière. Les simulations indiquent que la luminosité de MoM-BH*-1 pourrait être alimentée par l’accrétion autour d’un trou noir d’environ 100 000 masses solaires. Ce noyau serait entouré d’un cocon dense d’hydrogène dont la taille serait comparable à celle du Système solaire.
La découverte de MoM-BH*-1 pourrait également aider à expliquer les nombreux petits points rouges récemment identifiés dans les observations du JWST.
« Ces petits points rouges semblent omniprésents dans l’univers primordial, mais disparaissent quasiment de nos jours », explique Rohan Naidu, auteur principal de l’étude, chercheur associé au télescope spatial Hubble de la NASA et chercheur associé à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Leur nature exacte a été l’un des sujets les plus débattus de l’ère du JWST », conclut-t-il.
