Les « Little Red Dots », comme on les a appelés apparaissent dans les images de Webb à une époque cosmique comprise entre quelques centaines de millions d'années, et un milliard d'années après le Big Bang. On n’en voit plus à une époque plus récente. Certains astrophysiciens ont avancé qu'il s'agissait de galaxies massives, produisant suffisamment d’étoiles pour que le télescope spatial Webb puisse les détecter 13 milliards d'années plus tard. Mais cette théorie ne cadrait pas avec le temps qu'il a fallu à ces galaxies pour évoluer après le Big Bang.
Mais après deux ans d'analyse continue des images contenant les points rouges, les chercheurs du Cosmic Dawn Centre de l'Institut Niels Bohr ont trouvé l'explication : des trous noirs supermassifs en formation. Ces objets présentent des propriétés inhabituelles, telles que des trous noirs surmassifs pour la taille de leurs galaxies hôtes ainsi que des émissions extrêmement faibles de rayons X et radio. Vadim Rusakov (université de Manchester et Institut Niels Bohr) et ses collaborateurs montrent ici que dans la plupart des objets étudiés avec les spectres infra rouge de Webb de la plus haute qualité, les raies sont élargies par la diffusion des électrons, avec un noyau étroit. Les données nécessitent des densités de colonne d'électrons très élevées et des tailles compactes (qui se comptent en jours-lumière). Ces caractéristiques spectrales, associées à la haute luminosité, ne peuvent s'expliquer que par l'accrétion de trous noirs supermassifs à la limite d’Eddington. Les noyaux intrinsèques étroits des raies impliquent des masses de trous noirs comprises entre 100 000 et 10 millions M⊙, ce qui est 100 fois inférieur aux estimations précédentes.
Il s'agit donc des trous noirs supermassifs de masse la plus faible connus à haut redshift. Et cela suggère donc l'existence d'une population de jeunes trous noirs supermassifs. Ils sont enveloppés dans un cocon dense de gaz ionisé produisant de larges raies. L'émission nébulaire provenant de ce cocon domine le spectre optique, expliquant la plupart des caractéristiques spectrales des LRD, y compris la faible émission radio et rayons X, d’après les chercheurs.
C'est ce rayonnement du disque d’accrétion vu à travers le cocon qui donne aux petits points rouges leur couleur rouge unique. Le cocon gazeux à haute densité retraite essentiellement tout le rayonnement du continuum de Lyman provenant de la source centrale, ce qui se traduit par des profondeurs optiques de la raie Lyman extrêmement élevées qui provoquent l'absorption dans les centres de certaines raies de Balmer. La majeure partie du flux ionisant provenant du voisinage proche du trou noir supermassif est donc émise par recombinaison, ce qui implique que l'émission de gaz nébulaire doit être la composante principale des spectres optiques et proche IR de ces sources, donnant lieu aux raies d'émission et aux continuums de Balmer, Paschen et He I, ainsi qu'aux continuums qui déterminent la forme spectrale.
Rusakov et ses collaborateurs notent également que les raies larges sont très symétriques dans tous les cas qu’ils ont enregistrés, contrairement aux quasars de type 1 qui présentent des asymétries des raies de Balmer dans jusqu'à un quart des cas, et que les profondeurs optiques déduites de la diffusion des électrons sont toutes proches de 1. Pour les auteurs, cela suggère trois choses :
(1) Il pourrait exister une population encore plus fortement obscurcie, supprimant l'émission de raies en raison de l'auto-absorption;
(2) La distribution du gaz est proche de la forme sphérique, sans grand angle d'ouverture, sinon la lumière s'échapperait préférentiellement le long des lignes de visée à plus faible densité de colonne et moins de diffusion. L'interprétation la plus évidente de ces faits est que le milieu de diffusion et le milieu d’émission sont plus ou moins le même matériau (quasi sphérique) qui émet et diffuse les raies larges dans ses régions internes.
Avec une densité radiale décroissante, les régions internes produisent beaucoup plus de flux que les régions externes, qui fournissent la majeure partie de l'opacité de diffusion. Cela est possible sans invoquer un rapport raie étroite/raie élargie extrême, comme cela a été récemment suggéré. L'absence de lignes de visée à faible densité de colonne peut s'expliquer par la faible métallicité des AGN à grand redshift, qui peut entraver un refroidissement efficace et donc conduire à un cocon de gaz ionisé plus lisse ;
(3) La physique de la recombinaison peut s'écarter du scénario standard en raison de profondeurs optiques Lyman très élevées, de sorte que des rapports Hα/Hβ élevés n'impliquent pas nécessairement une extinction de la poussière.
Une autre énigme de ces sources était leur faible taux d'accrétion déduit. Les premiers stades de la croissance des trous noirs nécessitent des taux d'accrétion élevés sur de longues périodes pour croître rapidement. Les masses de trous noirs plus faibles qui sont déduites ici résolvent cette énigme. Rusakov et al. calculent un rapport d'Eddington moyen proche de l'unité pour leurs sources notées de A à L, à l'exclusion des objets B et G, en supposant que la raie Hα représente quelques pourcents de la luminosité bolométrique. Comme leur échantillon est susceptible d'être biaisé en faveur des systèmes plus lumineux, ils notent que la majeure partie de la population pourrait se situer dans le régime des trous noirs de masse intermédiaire, avec des taux d'accrétion plus faibles et/ou une extinction de poussière plus importante.
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Tous ces éléments permettent d'apporter une réponse à l'énigme des LRD/objets compacts à raies larges qui ont été découverts avec le télescope Webb. Il s'agit intrinsèquement de noyaux galactiques actifs à raies étroites, c'est-à-dire de jeunes trous noirs supermassifs de faible masse (de 105 à 107 M⊙) en phase d'accrétion d'Eddington, et qui sont enfouis dans un épais cocon de gaz. Leurs taux d'accrétion élevés produisent d'abondantes émissions UV qui ionisent leur cocon de gaz et, en même temps, refroidissent et affaiblissent efficacement la couronne, supprimant ainsi leurs rayons X durs. Le gaz ionisé empêche la fuite des ondes radio et des rayons X, tout en retraitant la quasi-totalité du rayonnement Lyman en émission optique nébulaire, produisant les raies de Balmer élargies et les ruptures de continuum qui caractérisent le spectre classique en forme de V. Ce cocon de gaz ionisé à faible métallicité ne s'agglutine pas efficacement et présente une distribution régulière laissant peu de lignes de visée optiquement minces. La distribution des densités de colonne d'électrons et l'absence d'une population similaire d'AGN de faible masse et à forte accrétion suggèrent que nous observons peut-être la croissance globale des trous noirs supermassifs dans la phase où ils sont entourés d'une enveloppe gazeuse dense quasi sphérique, avant que les effets de la métallicité et les vents efficaces n'aient nettoyé leurs régions polaires et ouvert le cocon. La chrysalide donnant alors naissance au papillon quasar…
Source
Little red dots as young supermassive black holes in dense ionized cocoons
V. Rusakov, et al.
Nature volume 649, (14 january 2026)
https://doi.org/10.1038/
Illustrations
1. Exemple de Little Red Dots imagées par le télescope Webb (NASA JWST/Darach Watson)
2. Couverture de Nature cette semaine
3. Vadim Rusakov
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