Dots rouges dans l’univers précoce: idées sur les étoiles de trou noir

Les points rouges inattendus défient les théories existantes

Lorsque JWST a commencé à envoyer des données en 2022, les astronomes ont été surpris par la présence de minuscules «petits points rouges» dispersés à travers le début de l’univers. Initialement, des chercheurs, dont une équipe de Penn State, ont proposé que ces objets puissent être des galaxies anciennes – développé à pleine 500 à 700 millions d’années après le Big Bang, bien qu’il soit aussi mature que la voie laiteuse actuelle, qui a environ 13,6 milliards d’années.

Parce que de telles galaxies entièrement formées à cette époque précoce défieraient les modèles existants d’évolution cosmique, les chercheurs ont surnommé ces «briseurs d’univers» de ces objets.

Une nouvelle étude pointe vers «les étoiles de trou noir»

Dans une nouvelle étude publiée le 12 septembre Astronomie et astrophysiqueune collaboration internationale d’astronomes et de physiciens, y compris des scientifiques de Penn State, offre une interprétation radicalement différente. Ils suggèrent que ces points rouges ne sont pas du tout des galaxies, mais plutôt des «étoiles de trou noir» – des sphères géantes de gaz propulsées par des trous noirs supermassifs dans leurs centres.

Selon l’équipe, ces objets émettent de la lumière comme des étoiles mais ne sont pas alimentés par la fusion nucléaire, mais par la consommation rapide de matière environnante par des trous noirs centraux. La matière en plein essor se transforme en énergie, produisant une lueur intense.

« Fondamentalement, nous avons regardé suffisamment de points rouges jusqu’à ce que nous en ayons vu un qui avait tellement d’atmosphère qu’il ne pouvait pas être expliqué comme des étoiles typiques que nous attendrions d’une galaxie », a déclaré Joel Lejale Dr Keiko Miwa Ross, professeur agrégé d’astrophysique à Penn State, et co-auteur de l’étude. « C’est vraiment une réponse élégante, parce que nous pensions que c’était une petite galaxie pleine de nombreuses étoiles froides distinctes, mais c’est en fait, en fait, une star gigantesque et très froide. »

Un curieux mélange de lumière froide et de trous noirs

Les étoiles froides émettent très peu de lumière visible, brillante principalement en longueurs d’onde rouge ou proche infrarouge. Alors que le gaz à proximité des trous noirs est généralement extrêmement chaud – des millions de degrés Celsius – l’émission de ces points mystérieux semble dominée par le gaz froid. Cette signature inhabituelle ressemble à celle des étoiles froides à faible masse et non des structures galactiques typiques.

JWST, le télescope spatial le plus puissant jamais construit, peut détecter la lumière des premières étoiles et galaxies les plus anciennes de l’univers. Leja a noté que le télescope permet essentiellement aux scientifiques de revoir environ 13,5 milliards d’années. Peu de temps après son lancement, des chercheurs du monde entier ont commencé à repérer ces points rouges inattendus massifs, qui semblaient beaucoup plus denses que les modèles Galaxy existants ne pouvaient l’expliquer.

« Le ciel nocturne d’une telle galaxie serait brutalement brillant », a déclaré Bingjie Wangmaintenant boursier de la NASA Hubble à l’Université de Princeton qui a travaillé sur l’étude en tant que chercheur postdoctoral à Penn State. «Si cette interprétation est valable, cela implique que les étoiles se sont formées à travers des processus extraordinaires qui n’ont jamais été observés auparavant.»

Retrouver ‘la falaise’

Pour déverrouiller le mystère, l’équipe a passé près de 60 heures de temps à observer JWST entre janvier et décembre 2024 pour collecter des spectres – Data montrant combien d’objets légers émettent à différentes longueurs d’onde – d’environ 4 500 galaxies éloignées. Cela a créé l’un des plus grands ensembles de données spectroscopiques JWST à ce jour.

En juillet 2024, ils ont identifié un objet particulièrement extrême, surnommé «la falaise», dont le spectre indiquait une énorme masse. Sa lumière a pris 11,9 milliards d’années pour atteindre la Terre, et l’analyse a révélé qu’il s’agissait probablement d’un trou noir supermassif enveloppé dans une coquille massive d’hydrogène gazeux.

« Les propriétés extrêmes de la falaise nous ont forcés à retourner à la planche à dessin et à trouver des modèles entièrement nouveaux », a déclaré Anna de Graaffchercheur à l’Institut Max Planck pour l’astronomie et auteur correspondant du journal, dans un communiqué de presse du Max Planck Institute.

Clues sur la naissance de trous noirs supermassifs

Leja a expliqué que les trous noirs résident dans les centres de la plupart des galaxies et peuvent être des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil. La façon dont ils se sont formées ont longtemps perplexe les scientifiques.

« Personne ne sait vraiment pourquoi ni d’où ces gigantesques trous noirs au centre des galaxies », a déclaré Leja. «Ces étoiles de trou noir pourraient être la première phase de formation des trous noirs que nous voyons dans les galaxies aujourd’hui – des trous noirs supermassifs dans leur petit stade d’enfance.»

Leja a ajouté que JWST a déjà trouvé des notes de trous noirs de masse haute dans le début de l’univers. Ces objets «Black Hole Star» – si confirmé – pouvaient combler un écart clé dans les modèles de la façon dont les structures cosmiques ont émergé si rapidement après le Big Bang. L’équipe prévoit des études supplémentaires pour mesurer leur densité et leur production énergétique.

Dans l’avant: un nouveau puzzle cosmique

Malgré la percée, les points rouges restent distants, minuscules et difficiles à étudier en détail.

« C’est la meilleure idée que nous ayons et vraiment la première qui correspond à presque toutes les données, alors maintenant nous devons le dégluler davantage », a déclaré Leja. «C’est normal de se tromper. L’univers est beaucoup plus étrange que nous ne pouvons l’imaginer et tout ce que nous pouvons faire, c’est suivre ses indices. Il y a encore de grandes surprises pour nous.»

Résumé: points clés

• JWST a découvert mystérieux «petits points rouges» dans l’univers au début.
• Initialement considérés comme des galaxies anciennes et entièrement formées, ils défient les modèles de formation de galaxies actuels.
• De nouvelles recherches suggèrent que ce sont des «étoiles de trou noir» – des sphères de gaz géantes alimentées par des trous noirs supermassifs.
• Un objet extrême, «La falaise», a aidé à confirmer cette théorie à l’aide de données spectrales.
• Ces objets pourraient représenter les premiers stades de la formation de trou noir supermassif.
• D’autres études exploreront leur densité de gaz et leur débit énergétique pour tester cette hypothèse.

Questions fréquemment posées