Les « petits points rouges » observés par Webb étaient des trous noirs issus d’un effondrement direct

Une découverte intrigante aux confins de l’univers

Le télescope spatial James Webb (JWST) a été conçu avec une mission précise : remonter le temps pour observer les galaxies telles qu’elles existaient peu après le Big Bang. En braquant ses optiques de pointe vers l’univers primitif, l’instrument a permis aux scientifiques de mieux appréhender l’évolution cosmique, depuis les premières époques jusqu’à nos jours. C’est dans ce contexte que le télescope a révélé une nouvelle classe d’objets astrophysiques, surnommés les « Little Red Dots » (LRDs), ou petits points rouges.

Face à ces sources lumineuses inattendues, la communauté astronomique a d’abord émis plusieurs hypothèses. S’agissait-il de régions de formation stellaire massive ? Cette théorie s’est rapidement heurtée aux modèles cosmologiques établis. En effet, ces modèles prédisaient que des galaxies massives ne pouvaient pas s’être formées moins d’un milliard d’années après le Big Bang. L’énigme restait donc entière quant à la nature exacte de ces sources.

Une autre piste a alors été explorée : ces points pourraient-ils être des quasars, ces régions centrales brillantes de galaxies alimentées par des trous noirs supermassifs (SMBH) ? Là encore, la théorie classique posait problème. Selon les connaissances actuelles, les trous noirs supermassifs n’auraient pas eu suffisamment de temps pour se former et atteindre une telle taille à une époque aussi reculée. Ces observations ont donc lancé un véritable défi aux astrophysiciens.

Une nouvelle étude propose une solution radicale

Pour tenter de résoudre ce mystère, une équipe d’astronomes dirigée par l’Université de Harvard a publié récemment un article sur le serveur de préimpression arXiv. Leurs travaux, intitulés « The Little Red Dots Are Direct Collapse Black Holes », sont actuellement en cours d’examen pour une publication dans la prestigieuse revue Nature. L’équipe avance que l’énigme des LRDs pourrait s’expliquer par l’identification de ces objets comme étant des trous noirs à effondrement direct (DCBH) en phase d’accrétion.

L’étude est menée par Fabio Pacucci, astrophysicien au Centre d’Astrophysique Harvard & Smithsonian (CfA) et à la Black Hole Initiative (BHI) de l’Université de Harvard. Il a travaillé en collaboration avec Andrea Ferrara, professeur de cosmologie à la Scuola Normale Superiore de Pise, en Italie, et Dale D. Kocevski, professeur associé de physique et d’astronomie au Colby College. Ensemble, ils ont cherché à concilier les observations du JWST avec la physique théorique.

Leur approche repose sur des simulations dites « radiation-hydrodynamiques » (RHD). Ces modèles complexes ont été développés pour simuler les propriétés d’émission des trous noirs à effondrement direct. Contrairement aux modèles conventionnels, où les trous noirs naissent de la mort d’étoiles massives, cette théorie suggère une formation directe à partir de nuages de gaz froid, un mécanisme qui change considérablement la donne temporelle.

L’impasse des modèles classiques de formation

Pour comprendre l’importance de cette découverte, il faut revenir aux modèles traditionnels. Ceux-ci décrivent la formation des trous noirs à partir de l’effondrement d’étoiles massives, une classe théorique connue sous le nom de Population III. Ces premières étoiles de l’univers, composées presque exclusivement d’hydrogène et d’hélium sans traces d’éléments plus lourds comme les métaux, étaient extrêmement chaudes et brillantes.

Ces astres primordiaux avaient une durée de vie très courte comparée aux générations stellaires modernes, restant dans leur phase de séquence principale pendant seulement 2 à 5 millions d’années. Après leur effondrement en trous noirs, ces objets devaient ensuite fusionner avec d’autres trous noirs, via des fusions galactiques et d’autres mécanismes, pour devenir des trous noirs massifs (MBH). C’est ici que le bât blesse : ce processus d’accumulation nécessite des milliards d’années.

Comme l’explique Fabio Pacucci à Universe Today, ce scénario ne peut s’appliquer à l’univers jeune observé par Webb. Il souligne que si ce processus fonctionne bien dans l’univers proche, il devient très difficile d’expliquer la présence de trous noirs extrêmement massifs — parfois plus d’un milliard de fois la masse de notre soleil — lorsque l’univers n’avait que quelques centaines de millions d’années. Il n’y a tout simplement pas assez de temps pour que des trous noirs de masse stellaire croissent à un tel rythme conventionnel.

Le raccourci temporel : l’effondrement direct

C’est face à cette « tension » entre la théorie et les observations que l’hypothèse des trous noirs à effondrement direct (DCBH) prend tout son sens. Au lieu de commencer petits, ces trous noirs naîtraient déjà massifs. Ils ne se formeraient pas à partir des graines laissées par les étoiles de Population III, mais s’effondreraient directement à partir de nuages d’hydrogène dans l’univers primitif. Ce mécanisme offre un raccourci naturel permettant de contourner le goulot d’étranglement temporel évoqué plus haut.

Proposés à l’origine pour résoudre les divergences entre le Modèle Standard de la Cosmologie et les objets observés, les DCBHs font l’objet d’une analyse poussée dans l’étude de Pacucci et ses collègues. Les chercheurs ont testé, via leurs simulations, comment ces trous noirs, en accrétant activement de la matière de leur environnement, pourraient reproduire exactement ce que le télescope Webb a détecté.

Fabio Pacucci précise que leurs simulations suivent à la fois la chute du gaz sur le trou noir et la manière dont le rayonnement produit affecte les environs. Cette interaction crée naturellement un environnement extrêmement dense. Ce milieu absorbe le rayonnement à haute énergie et le retraite en lumière ultraviolette et optique. Une fois décalée vers le rouge (redshift) par l’expansion de l’univers, cette lumière est observée dans l’infrarouge par le JWST.

Quand la simulation rejoint l’observation

Les résultats obtenus par l’équipe sont frappants : lorsqu’ils transforment leurs simulations en observations fictives, celles-ci correspondent incroyablement bien aux données réelles du JWST sur les petits points rouges. Les chercheurs ont constaté que leurs modèles reproduisaient les caractéristiques spécifiques des LRDs, notamment leur faible émission de rayons X et la présence de raies métalliques et de haute ionisation.

De plus, les simulations expliquent l’absence de caractéristiques liées à la formation d’étoiles, ainsi que l’abondance de ces objets et leur évolution en fonction du redshift. La présence de nuages de gaz denses entourant les trous noirs rend compte également de leur nature extrêmement compacte et explique pourquoi ils semblent trop massifs par rapport à toute composante stellaire environnante.

« Toutes les propriétés déroutantes des LRDs sont expliquées dans un cadre unique et auto-cohérent, sans nécessiter d’hypothèses ad hoc », déclare Fabio Pacucci. La force de ce modèle réside dans sa simplicité, s’appuyant sur des décennies de travaux théoriques décrivant la formation et l’évolution attendues des trous noirs à effondrement direct au cours du temps cosmique.

Une fenêtre ouverte sur la naissance des géants

L’un des objectifs scientifiques primordiaux du JWST est d’identifier les premiers trous noirs et de comprendre leur genèse. Les astronomes traquent ces objets primordiaux depuis des décennies, mais les preuves directes sont restées insaisissables jusqu’à présent. Les résultats de cette étude suggèrent que le télescope est en train d’observer exactement cette phase tant recherchée : la formation et la croissance de graines de trous noirs massifs par effondrement direct.

Selon les auteurs, cela constituerait une percée majeure. Cela démontrerait que les premiers trous noirs se sont formés efficacement et très tôt dans l’histoire de l’univers. Le JWST ouvrirait ainsi une fenêtre d’observation directe sur leur naissance, confirmant expérimentalement le scénario des DCBH qui était jusqu’alors théorique.

En réalisant des découvertes qui ont d’abord remis en question les modèles cosmologiques les plus répandus, le télescope Webb a accompli précisément ce pour quoi il a été conçu. Alors que les « petits points rouges » étaient initialement une énigme déconcertante pour les astronomes, ils fournissent désormais des informations vitales sur l’une des périodes les plus anciennes de l’histoire cosmique.

Selon la source : phys.org

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