Une équipe d’astrophysiciens vient d’identifier un objet rouge exceptionnellement brillant datant des premiers âges de l'Univers. À première vue, il ressemble à une étoile gigantesque dont les dimensions sont comparables à celles de notre système solaire. Son rendement énergétique, cependant, est extraordinaire. Cet objet produit environ 100 milliards de fois plus d'énergie que n'importe quelle étoile connue ne pourrait physiquement en générer, ce qui le rapproche considérablement des niveaux associés aux trous noirs. Cette combinaison inhabituelle a conduit les chercheurs à proposer que cet objet représente un tout nouveau type de source astrophysique. Ils le qualifient d'« étoile à trou noir ». Ils publient leur découverte dans Nature .
Dans leur article, Rohan P. Naidu (MIT) et ses collaborateurs décrivent l'analyse qu’ils ont effectuée grâce à des observations du télescope spatial Webb. Cet objet, nommé MoM-BH*-1, ressemble aux fameux Little Red Dots détectés par Webb. Selon eux, l'explication la plus probable réside dans une combinaison inédite d'un trou noir et d'une étoile : au lieu d'être alimenté par la fusion nucléaire qui alimente les étoiles ordinaires, cet objet pourrait être constitué d'un nuage de gaz extrêmement dense comme dans une étoile donc, mais énergisé par un trou noir en son centre.
Naidu et ses collègues ne recherchaient pas initialement une étoile à trou noir. Leur objectif était d'identifier certaines des galaxies les plus anciennes et les plus lointaines à l'aide du JWST grâce à un programme d'étude appelé « Mirage ou Miracle » (MoM).
En scrutant les images du JWST à la recherche de cibles prometteuses, l'équipe a remarqué une source à l'aspect particulièrement inhabituel. Elle apparaissait à la fois d'un rouge intense et d'une luminosité remarquable.
On pense tout de suite à une grande quantité de poussière responsable du rougissement, mais d'autres caractéristiques de la lumière émise par l'objet ne correspondaient pas à ce que les scientifiques attendraient normalement de la poussière. Les chercheurs ont également découvert une particularité frappante dans son spectre : la source était extrêmement brillante à certaines longueurs d'onde, tandis que sa lumière disparaissait complètement en dessous de certaines autres.
Cette chute brutale de luminosité est appelée « rupture de Balmer ». Ce phénomène est généralement lié à l'absorption de photons par du gaz dense dans l'atmosphère d'étoiles âgées de quelques centaines de millions d'années. Véga, par exemple, l'une des étoiles les plus brillantes visibles dans le ciel nocturne, présente ce même type de discontinuité.
Ici, la discontinuité dans cet objet est la plus profonde jamais observée, ce qui exclut les étoiles "ordinaires" comme source. Cela a amené Naidu et ses collaborateurs à se demander si ils étaient en présence d'un nouveau type d'"atmosphère stellaire", mais à une tout autre échelle. L'objet présente une autre particularité importante : sa lumière ne révèle pratiquement aucune trace de métaux ou d'éléments autres que l'hydrogène et l'hélium.
Les processus physiques à l'origine de la formation de trous noirs d'un milliard de masses solaires au cours des 700 premiers millions d'années de l'histoire cosmique, une période connue sous le nom d'aube cosmique, demeurent une énigme. Plusieurs scénarios théoriques ont été proposés pour expliquer l'amorçage et la croissance rapide des trous noirs, mais l'observation directe de ces mécanismes reste difficile. MoM-BH*-1 se situe 660 millions d'années après le Big Bang, et il présente des propriétés singulières : parmi les plus grandes ruptures de Balmer de l'hydrogène jamais observées, une large émission Hβ à pics multiples et une absorption de la raie de Balmer dans plusieurs transitions.
Les chercheurs calculent une masse pour le trou noir central, il ferait environ 100 000 masses solaires. Et l’enveloppe de gaz serait immense (pour une étoile), de la taille du système solaire.
Pour déterminer ce qui pourrait être à l'origine de l'apparence inhabituelle de l'objet, les chercheurs ont simulé plusieurs scénarios astrophysiques possibles et les ont comparés aux observations du Webb.
Ils ont commencé à se demander si il était possible de créer une couleur rouge aussi intense uniquement à partir d'hydrogène, sans aucune poussière. Il s'avère que c'est possible, à condition de disposer d'un écran d'hydrogène extrêmement dense, si dense qu'il ressemble davantage à la surface d'une étoile gigantesque qu'à une nébuleuse interstellaire.
Les chercheurs ont modélisé cette source comme un trou noir enveloppé, dans lequel la rupture de Balmer et les caractéristiques d'absorption résultent d'un gaz extrêmement dense et turbulent formant une enveloppe sans poussière autour d'un trou noir supermassif. Cette source pourrait témoigner de l'existence d'un trou noir primordial plongé dans un gaz dense – une configuration théorique proposée pour expliquer la croissance rapide des trous noirs par accrétion super- Eddington. Le rayonnement du trou noir semble dominer la quasi-totalité de la lumière observée, ne laissant qu'une faible place à la contribution de sa galaxie hôte. Selon Naidu et son équipe, si la source fusionnait avec sa voisine plus brillante, elle ressemblerait aux Little Red Dots (LRD) récemment découverts avec Webb, présentant des distributions spectrales d'énergie complexes. Ici, la couleur rouge du trou noir est due au gaz, et non à la poussière, et c'est la diffusion, et non la cinématique, qui est à l'origine des profils de raies et des luminosités complexes.
Les simulations suggèrent clairement que la source rouge doit contenir une source d'énergie extrêmement puissante, dissimulée dans un cocon d'hydrogène très dense. Une telle structure pourrait expliquer à la fois la forte discontinuité de Balmer et le fait que les chercheurs n'aient détecté que de l'hydrogène et de l'hélium.
La luminosité extrême de MoM-BH*-1, 100 milliards de fois plus brillant qu’une étoile classique, signifie qu’il ne peut pas être alimenté juste par fusion nucléaire, qui est la source d'énergie au cœur de toutes les étoiles que nous connaissons. L'équipe a donc intégré dans ses simulations un trou noir actif en accrétion au sein du cocon d'hydrogène dense. Après avoir ajusté la masse et d'autres propriétés du trou noir, Naidu et ses collaborateurs ont comparé la luminosité simulée aux mesures effectuées par le JWST. C’est ainsi qu’ils sont arrivés à la conclusion que l’objet devrait renfermer un trou noir de 100 000 masses solaires. MoM-BH*-1 serait ainsi la première « étoile à trou noir ».
La question évidente que l’on se pose, c’est : est-ce que les étoiles à trous noirs pourraient expliquer les Little Red Dots observés par le télescope Webb ?
Certains astrophysiciens soupçonnent que les étoiles à trou noir pourraient expliquer une grande partie des LRD observés sur les images du JWST. Même si ces sources sont moins brillantes que MoM-BH*-1, elles pourraient en effet partager la même structure de base.
Les LRD correspondraient à une étoile à trou noir, nichée au cœur d'une galaxie primitive. Mais la particularité de MoM-BH*-1 réside dans le fait que l'étoile à trou noir surpasse totalement la luminosité de sa galaxie hôte, de sorte que l’on observe la lumière pure d'une étoile à trou noir. On peut alors considérer MoM-BH*-1 comme un modèle quasi pur pour la composante AGN des LRD et le combiner avec une galaxie à formation d'étoiles de luminosité UV comparable afin de rendre compte des propriétés énigmatiques des LRD. Dans ce modèle composite, la galaxie à formation d'étoiles domine dans l'UV (morphologie étendue et raie Lyα étroite), tandis que le trou noir domine dans le domaine optique (rupture de Balmer, raies de Balmer larges et variabilité attendue d'un AGN autour de Hα). La faiblesse en rayons X peut s'expliquer par l'enveloppe de gaz épaisse, tandis que la faiblesse dans l'infrarouge lointain résulte d'une atténuation par la poussière qui serait bien plus faible que celle supposée par toutes les études sur les LRD, car le spectre d'émission du trou noir est intrinsèquement faible en UV en dessous de la rupture de Balmer. La diversité des contributions relatives et des propriétés de chaque composante (par exemple, l'histoire de formation stellaire de la galaxie hôte, la densité du gaz autour du trou noir) pourrait expliquer toute la diversité observée dans les propriétés des LRD.
D’ailleurs, une étude récente a montré que la diffusion des électrons dans un gaz dense pourrait être un phénomène courant chez les LRD, une preuve indépendante que les trous noirs enveloppés de gaz, comme la source étudiée ici, pourraient être les principaux moteurs des LRD.
Si cette interprétation se confirme, MoM-BH*-1 pourrait donc fournir un indice important sur l'un des mystères les plus débattus actuellement, la naissance des trous noirs supermassifs et des galaxies, tout en révélant un type d'objet cosmique que les astronomes n'avaient jamais observé directement auparavant…
Source
A gas-enshrouded and gas-reddened black hole at cosmic dawn
Rohan P. Naidu et al.
Nature volume 656, pages329–333 (12 august 2026)
https://doi.org/10.1038/
Illustrations
1. Vue d 'artiste de MoM-BH*-1 (Jose-Luis Olivares)
2. Rohan Naidu
Aucun commentaire :
Enregistrer un commentaire