Une étoile à trou noir dans l’Univers primordial : la découverte du JWST qui remet en question les modèles cosmologiques

En observant l’Univers primitif, le télescope spatial James Webb continue de révéler des objets inédits dont la nature constitue une véritable énigme, remettant en question ce que l’on pensait jusqu’ici acquis.

Après la découverte des fameux « Little Red Dots » (petits points rouges), des sources rouges, compactes et lumineuses, difficiles à classer comme des galaxies classiques ou des trous noirs typiques, un objet particulièrement inhabituel a récemment été identifié. Baptisé MoM-BH*-1, sa particularité réside dans le fait que, bien qu’il semble être un trou noir, il présente des caractéristiques propres à une étoile.

C’est pourquoi il a été qualifié d’« étoile à trou noir ». Il pourrait bien s’agir du premier membre découvert d’une nouvelle classe d’objets primordiaux jusqu’ici inconnue. Nous sommes clairement face à un cas où les observations compliquent le tableau au lieu d’apporter des réponses immédiates.

MoM-BH*-1 : un objet qui défie le comportement stellaire

Parmi les nombreux projets utilisant les données du télescope spatial James Webb figure « Mirage or Miracle » (« Mirage ou miracle ? »). Ce projet s’intéresse spécifiquement à des sources considérées comme « à risque » : des objets susceptibles de se révéler être des découvertes extraordinaires ou de simples « intrus », comme des étoiles froides et proches confondues avec des galaxies lointaines.

C’est dans le cadre de ce projet que des chercheurs de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), avec leurs collaborateurs internationaux, ont découvert MoM-BH*-1 ; leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.

MoM-BH*-1 a été observé grâce aux instruments NIRCam et NIRSpec, qui ont mesuré un décalage vers le rouge de z = 7,7569, ce qui situe l’objet à une époque correspondant à environ 660 millions d’années après le Big Bang. Il s’agit donc bien d’un objet appartenant à l’Univers primordial.

Cet objet présente un saut de Balmer si marqué qu’il est incompatible avec une étoile ou une galaxie primordiale. Il présente cependant également d’autres caractéristiques qui n’avaient encore jamais été observées, ni dans des étoiles individuelles ni dans des galaxies.

S’il s’agissait d’une étoile, cela nécessiterait des densités extrêmement élevées, de l’ordre de 10¹¹ particules par centimètre cube, des dimensions gigantesques et une turbulence avec des vitesses caractéristiques d’environ 500 km/s ; toutes ces valeurs dépassent largement ce qui est physiquement possible pour des étoiles.

Cela conduit à penser qu’il pourrait s’agir d’un trou noir supermassif : non pas d’un type conventionnel, mais d’un trou noir actif enveloppé dans une couche presque sphérique de gaz extrêmement dense.

Comment de très jeunes trous noirs parviennent-ils à devenir supermassifs ?

Les trous noirs que nous connaissons le mieux, ceux de l’Univers proche, augmentent leur masse en engloutissant des étoiles qui tombent dans leur sphère d’influence gravitationnelle. Étant donné que ces trous noirs sont âgés de plusieurs milliards d’années, il n’est pas surprenant qu’ils soient devenus supermassifs au cours d’une période aussi longue.

Mais comment les trous noirs de l’Univers primordial, âgés de seulement quelques centaines de millions d’années, ont-ils pu accélérer leur croissance au point de devenir supermassifs ?

Un scénario hypothétique envisage qu’une enveloppe de gaz entoure le trou noir central sur une échelle de plusieurs dizaines d’unités astronomiques. Le rayonnement émis par le disque d’accrétion autour du trou noir serait absorbé, diffusé et retraité par cette couche, produisant un spectre ressemblant en partie à celui de l’atmosphère d’une étoile géante. D’où le terme d’étoile à trou noir.

Les auteurs soulignent toutefois que ce modèle reste théorique et ne constitue pas encore une reconstitution définitive de la structure de l’objet.

MoM-BH*-1 pourrait représenter une version embryonnaire du trou noir central dissimulé au cœur des fameux « Little Red Dots » (petits points rouges).

Ces objets mystérieux présentent eux aussi des caractéristiques spectrales similaires à celles de MoM-BH*-1, comme de larges raies de Balmer, des couleurs optiques rougeâtres, une faible émission de rayons X et des dimensions extrêmement compactes, ce qui suggère qu’il pourrait s’agir de jeunes trous noirs supermassifs enveloppés dans un cocon de gaz ionisé.

Une possible voie rapide pour la croissance des premiers géants cosmiques

Comment expliquer l’existence de trous noirs dont la masse équivaut à des millions, voire à des milliards de Soleils, dans l’Univers primordial ? Les modèles prévoient deux mécanismes de formation possibles : l’effondrement des premières étoiles massives ou l’effondrement direct de gaz.

L’hypothèse la plus intrigante pour expliquer l’existence de MoM-BH*-1 est que, dans un environnement extrêmement dense, un trou noir pourrait connaître des épisodes d’accrétion dépassant la limite d’Eddington ; une partie du rayonnement resterait piégée dans le gaz, réduisant ainsi l’efficacité avec laquelle la pression de radiation freine l’arrivée de nouvelle matière.

Ainsi, MoM-BH*-1 constitue davantage un laboratoire naturel permettant de tester cette hypothèse qu’une preuve définitive.

La confirmation de cette hypothèse nécessitera des études spectroscopiques supplémentaires, ainsi que des observations dans les domaines des rayons X, des ondes radio et de l’infrarouge moyen. De nombreux objets pourraient être candidats au statut d’« étoiles à trou noir ». Les futures observations devront avant tout déterminer à quel point cette configuration est fréquente et combien de temps elle peut perdurer.