Les astronomes découvrent un nouveau type d’objet astrophysique : une étoile-trou noir de la taille du Système solaire

    La combinaison d’un trou noir et d’une étoile gigantesque est un phénomène jamais observé jusqu’à présent. Elle pourrait expliquer les mystérieux petits points rouges qui apparaissent souvent sur les images de l’Univers profond, selon un article publié dans la revue Nature.

    Le trou noir apparaît sous la forme d’un nuage rouge tridimensionnel aux contours ondulés, avec une sphère noire en son centre. Les astronomes ont découvert une « étoile-trou noir », une tache rouge extrêmement brillante dans l’Univers primordial qui semble correspondre à un nouveau type d’objet astrophysique. Elle ressemble à une étoile gigantesque, mais sa production d’énergie s’apparente davantage à celle d’un trou noir. Crédits : José-Luis Olivares, MIT
    Le trou noir apparaît sous la forme d’un nuage rouge tridimensionnel aux contours ondulés, avec une sphère noire en son centre. Les astronomes ont découvert une « étoile-trou noir », une tache rouge extrêmement brillante dans l’Univers primordial qui semble correspondre à un nouveau type d’objet astrophysique. Elle ressemble à une étoile gigantesque, mais sa production d’énergie s’apparente davantage à celle d’un trou noir. Crédits : José-Luis Olivares, MIT

    Des astronomes du MIT, le Massachusetts Institute of Technology, ainsi que des chercheurs d’autres institutions, ont détecté une tache rouge extrêmement brillante dans l’Univers primordial. Cet objet ressemble à une étoile gigantesque, dont la taille serait comparable à celle de notre Système solaire. Pourtant, il émettrait 100 milliards de fois plus d’énergie que ce qu’une étoile connue est physiquement capable de produire. Une puissance qui se rapproche davantage de celle générée par un trou noir.

    Cette étonnante combinaison laisse penser que cette tache rouge pourrait appartenir à une toute nouvelle catégorie de sources astrophysiques. Les astronomes l’ont baptisée « étoile-trou noir ».

    Dans un article publié dans la revue Nature, l’équipe détaille son analyse de ce nouvel objet, repéré grâce au télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA. Le télescope a détecté ce point rouge extrêmement lumineux dans l’Univers primordial, seulement quelques centaines de millions d’années après le Big Bang.

    Selon les chercheurs, l’hypothèse la plus probable pour expliquer cet étrange point rouge serait une combinaison entre un trou noir et une étoile, un phénomène jamais observé jusqu’à présent. L’objet pourrait en réalité être constitué d’un nuage de gaz extrêmement dense, dont l’énergie ne serait pas produite par une fusion nucléaire classique, mais par un trou noir situé en son centre.

    Trois images montrent une « étoile » sous la forme d’une sphère en coupe dotée d’un noyau jaune ; un « disque d’accrétion autour d’un trou noir », avec un noyau noir entouré d’une spirale bleue en forme de disque aplati ; et une « étoile-trou noir », représentée par un nuage rouge informe avec un centre noir. Les étoiles (à gauche) peuvent être considérées comme des sphères de gaz très denses alimentées par la fusion nucléaire en leur cœur. Les trous noirs (au centre) grandissent généralement en absorbant de la matière par l’intermédiaire d’un disque d’accrétion. Les étoiles-trous noirs (à droite) représentent un nouveau type d’objet : de jeunes trous noirs enveloppés dans un gaz très dense, qui rayonnent comme des étoiles. Dans ce cas, le trou noir en phase d’accrétion joue le rôle de source d’énergie à la place de la fusion nucléaire, tandis que le gaz dense qui l’entoure agit de manière comparable à une pseudophotosphère. Image : iStock ; José-Luis Olivares, MIT.
    Trois images montrent une « étoile » sous la forme d’une sphère en coupe dotée d’un noyau jaune ; un « disque d’accrétion autour d’un trou noir », avec un noyau noir entouré d’une spirale bleue en forme de disque aplati ; et une « étoile-trou noir », représentée par un nuage rouge informe avec un centre noir. Les étoiles (à gauche) peuvent être considérées comme des sphères de gaz très denses alimentées par la fusion nucléaire en leur cœur. Les trous noirs (au centre) grandissent généralement en absorbant de la matière par l’intermédiaire d’un disque d’accrétion. Les étoiles-trous noirs (à droite) représentent un nouveau type d’objet : de jeunes trous noirs enveloppés dans un gaz très dense, qui rayonnent comme des étoiles. Dans ce cas, le trou noir en phase d’accrétion joue le rôle de source d’énergie à la place de la fusion nucléaire, tandis que le gaz dense qui l’entoure agit de manière comparable à une pseudophotosphère. Image : iStock ; José-Luis Olivares, MIT.

    « Notre vision de cet objet évolue très rapidement », explique l’auteur principal, Rohan Naidu, boursier Hubble de la NASA et boursier Pappalardo à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale (MKI) du MIT. « Nous pensons qu’il existe un trou noir central 100 000 fois plus massif que le Soleil. Autour de ce trou noir se trouverait une enveloppe de gaz très étendue, qui ressemble à une étoile de la taille du Système solaire. C’est gigantesque ».

    Si ce point rouge très lumineux est bien une étoile associée à un trou noir, il pourrait permettre de mieux comprendre la nature d’autres mystérieux « petits points rouges » observés dans presque toutes les images de l’Univers profond prises jusqu’à présent par le télescope spatial James Webb.

    « Ces petits points rouges semblent être partout dans l’Univers primordial, mais ils ont pratiquement disparu aujourd’hui », poursuit Naidu. « La nature exacte de ces objets est l’un des sujets les plus débattus depuis le début de l’ère du JWST ».

    Parmi les coauteurs de l’étude au MIT figurent Robert Simcoe, directeur du MKI et professeur Bruno B. Rossi de physique expérimentale, ainsi que Wendy Sun ’26, aux côtés de chercheurs issus d’autres institutions.

    Une source singulière

    Naidu et ses collègues ne cherchaient pas à découvrir une étoile associée à un trou noir. Ils étaient à la recherche des galaxies les plus lointaines et les plus anciennes, dans le cadre d’une étude baptisée « Mirage ou Miracle » (MoM). L’équipe a utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) pour observer l’Univers profond, à une époque où celui-ci n’avait que quelques centaines de millions d’années. Leur objectif était d’identifier des galaxies qui se seraient formées durant ces premières phases de l’histoire cosmique.

    « Il existait une énigme : l’apparition de nombreuses galaxies très lumineuses à des époques extrêmement précoces », explique Naidu. « Nous avons découvert que ce qui ressemble à une galaxie primitive extrêmement brillante, un “miracle”, pourrait dans certains cas n’être en réalité qu’un “mirage” ».

    En examinant les images du JWST à la recherche de sources intéressantes pour leur étude, les chercheurs ont remarqué un objet qui se distinguait nettement des autres : un point très rouge et extrêmement lumineux.
    La vue de la galaxie fait apparaître plusieurs petits points rouges ; l’image en médaillon montre quant à elle un point rouge flou. Sur ces images prises par le télescope spatial James Webb (JWST), l’étoile-trou noir se distingue sous la forme d’un petit point rouge. Ces petits points rouges sont extrêmement fréquents dans les images du JWST. Image : avec l’aimable autorisation des chercheurs.
    La vue de la galaxie fait apparaître plusieurs petits points rouges ; l’image en médaillon montre quant à elle un point rouge flou. Sur ces images prises par le télescope spatial James Webb (JWST), l’étoile-trou noir se distingue sous la forme d’un petit point rouge. Ces petits points rouges sont extrêmement fréquents dans les images du JWST. Image : avec l’aimable autorisation des chercheurs.

    « Lorsque nous observons quelque chose de très rouge dans l’Univers, nous supposons généralement qu’il est entouré de poussière, un peu comme de la suie ou des cendres », explique Simcoe. « De la même manière que la fumée des incendies de forêt au Canada a récemment teinté le ciel de Boston d’un rouge éclatant, les objets astronomiques peuvent eux aussi apparaître plus rouges que leur couleur intrinsèque lorsqu’ils sont observés à travers une couche de poussière ».

    Mais la lumière présentait d’autres caractéristiques qui ne correspondaient pas totalement à ce que les physiciens attendent de la poussière. L’équipe a également observé un autre phénomène étrange : la lumière émise par le point était extrêmement brillante, sauf en dessous de certaines longueurs d’onde, où elle disparaissait complètement.

    Cette chute spectrale est connue sous le nom de « rupture de Balmer », une caractéristique traditionnellement associée à un gaz dense qui absorbe les photons dans l’atmosphère d’étoiles âgées de centaines de millions d’années. Véga, l’une des étoiles les plus brillantes du ciel nocturne, présente précisément ce type de signature.

    « La rupture que nous observons dans cet objet est la plus profonde jamais détectée à ce jour, ce qui exclut que des étoiles “ordinaires” puissent en être la source », affirme Naidu. « Mais cela nous a amenés à nous demander si nous n’étions pas face à un nouveau type “d’atmosphère stellaire”, mais à une échelle spectaculaire ».

    Plus étonnant encore, la lumière du point rouge ne contenait pratiquement aucune trace de métaux ni d’autres éléments en dehors de l’hydrogène et de l’hélium. « Cet objet était véritablement singulier à bien des égards », souligne Naidu.

    Lumière pure

    Pour déterminer quel pouvait être l’origine du point rouge, l’équipe a réalisé des simulations correspondant à différents scénarios, afin d’identifier quelle combinaison de caractéristiques astrophysiques pouvait produire sa couleur si particulière.

    « Nous avons commencé à nous demander : peut-on obtenir quelque chose d’aussi rouge uniquement avec de l’hydrogène, sans poussière ? », explique Simcoe. « À notre grande surprise, la réponse est oui, à condition d’avoir une couche d’hydrogène extrêmement dense, tellement dense qu’elle ressemble davantage à la surface d’une étoile gigantesque qu’à une faible nébuleuse interstellaire ».

    Leurs simulations suggèrent que le point rouge pourrait abriter une puissante source d’énergie dissimulée derrière une enveloppe très dense d’hydrogène. Un tel scénario expliquerait à la fois la rupture de Balmer qui bloque une partie de la lumière et l’absence de tout autre élément que l’hydrogène et l’hélium, comme l’ont constaté les astronomes. Il ne permettait toutefois pas d’expliquer l’extrême luminosité de l’objet.

    « Nous avons quelque chose qui ressemble un peu à une étoile, mais qui est 100 milliards de fois plus lumineux », explique Naidu. « Cela signifie que cette énergie ne peut pas provenir de la fusion nucléaire, qui constitue pourtant la source d’énergie au cœur de toutes les étoiles que nous connaissons ».

    Les trous noirs, en revanche, sont capables de produire de l’énergie à des niveaux comparables à ceux observés par l’équipe. Naidu et ses collègues ont donc intégré un trou noir actif en phase d’accrétion à leurs simulations d’une étoile enveloppée d’hydrogène, puis ont fait varier la masse du trou noir, ainsi que plusieurs autres paramètres. Ils ont ensuite comparé la luminosité de cette « étoile-trou noir » simulée avec celle mesurée par le JWST pour le point rouge.

    À partir de ces simulations, les chercheurs ont obtenu une correspondance très proche et en ont conclu que le scénario le plus probable pour expliquer le point rouge était celui d’une étoile-trou noir.

    Plus précisément, l’objet abriterait probablement en son centre un trou noir dont la masse serait environ 100 000 fois supérieure à celle du Soleil. Ce puissant noyau serait entouré d’une enveloppe très dense d’hydrogène, semblable à une étoile, et dont les dimensions seraient comparables à celles du Système solaire.

    L’équipe a baptisé cet objet MoM-BH*-1, en référence à l’étude qui a permis sa découverte, et lui a également donné le surnom d’« étoile-trou noir numéro un », laissant entendre qu’il pourrait être le premier représentant d’une famille d’objets similaires. Les chercheurs soupçonnent en effet que les étoiles-trous noirs pourraient expliquer une grande partie des autres petits points rouges visibles sur les images du JWST. Ces autres objets restent toutefois moins lumineux que MoM-BH*-1.

    « Chaque petit point rouge est compatible avec l’hypothèse d’une étoile-trou noir, nichée au sein d’une galaxie primitive ordinaire », explique Naidu. « Mais ce qui rend MoM-BH*-1 si particulier, c’est que l’étoile-trou noir éclipse totalement la galaxie hôte qui l’entoure, au point que nous observons une lumière provenant presque exclusivement de l’étoile-trou noir ».

    Référence de l'article

    Naidu, R.P., Matthee, J., Katz, H. et al. A gas-enshrouded and gas-reddened black hole at cosmic dawn. Nature.