De minuscules objets rouges repérés par le télescope spatial James Webb de la NASA (JWST) offrent aux scientifiques de nouvelles perspectives sur les origines des galaxies de l'univers – et peuvent représenter une toute nouvelle classe d'objet céleste: un trou noir avalant des quantités massives de matière et crachant de la lumière.
En utilisant les premiers ensembles de données publiés par le télescope en 2022, une équipe internationale de scientifiques, dont les chercheurs de Penn State, a découvert mystérieux « Little Red Dots ». Les chercheurs ont suggéré que les objets peuvent être des galaxies aussi matures que notre voie laiteuse actuelle, qui a environ 13,6 milliards d'années, à seulement 500 à 700 millions d'années après le Big Bang.
Du surnommé de manière informelle des «briseurs d'univers» par l'équipe, les objets étaient à l'origine considérés comme des galaxies bien plus anciennes que quiconque attendait dans l'univers du nourrisson, ce qui remet en question ce que les scientifiques comprenaient auparavant à propos de la formation des galaxies.
Maintenant, dans un article publié dans la revue Astronomie et astrophysiquel'équipe internationale d'astronomes et de physiciens, y compris celles de Penn State, suggèrent que les points peuvent ne pas être des galaxies mais un tout nouveau type d'objet: une étoile de trou noir.
Ils ont dit que leur analyse indique que les minuscules ponctures de la lumière peuvent être des sphères géantes de gaz chaud qui sont si denses qu'elles ressemblent aux atmosphères des étoiles typiques de fusion nucléaire; Cependant, au lieu de la fusion, ils sont alimentés par des trous noirs supermassifs dans leur centre qui tirent rapidement de la matière, le convertissant en énergie et dégageant de la lumière.
« Fondamentalement, nous avons regardé suffisamment de points rouges jusqu'à ce que nous en ayons vu un qui avait tellement d'atmosphère qu'il ne pouvait pas être expliqué comme des stars typiques que nous attendrions d'une galaxie », a déclaré Joel Leja, le Dr Keiko Miwa Ross, professeur agrégé d'astrophysique à Penn State et co-auteur sur le journal.
« C'est vraiment une réponse élégante, parce que nous pensions que c'était une petite galaxie pleine de nombreuses étoiles froides distinctes, mais c'est en fait, en fait, une star gigantesque et très froide. »
Les étoiles froides émettent peu de lumière en raison de leurs basses températures par rapport aux étoiles normales, a expliqué Leja. La plupart des étoiles de l'univers sont des étoiles plus faibles et plus froides, mais elles sont généralement plus difficiles à voir car elles sont lancées par des étoiles massives plus lumineuses et plus lumineuses.
Les astronomes identifient les étoiles froides par leur lueur, qui se trouve principalement dans le spectre optique rouge ou proche infrarouge, des longueurs d'onde de lumière qui ne sont plus visibles.
Bien que le gaz autour des trous noirs supermassifs soit généralement très chaud, des millions de degrés Celsius, la lumière de ces trous noirs « point rouge » était plutôt dominé par un gaz très froid, ont déclaré les chercheurs, similaires aux atmosphères des étoiles froides à faible masse, en fonction des longueurs d'onde de la lumière qu'ils dégageaient.
Télescope le plus puissant de l'espace, JWST a été conçu pour voir la genèse du cosmos avec des instruments de détection infrarouge capables de détecter la lumière émise par les étoiles et les galaxies les plus anciennes. Essentiellement, le télescope permet aux scientifiques de voir dans le temps environ 13,5 milliards d'années, vers le début de l'univers tel que nous le connaissons, a expliqué Leja.
À partir du moment où le télescope s'est allumé, les chercheurs du monde entier ont commencé à repérer les «petits points rouges», des objets qui semblaient beaucoup plus massifs que les modèles Galaxy ne l'avaient prédit.
Au début, a déclaré Leja, lui et ses collègues pensaient que les objets étaient des galaxies matures, qui ont tendance à devenir plus rouges à mesure que les étoiles en leur sein. Mais les objets étaient trop brillants pour être expliqués – les étoiles devraient être emballées dans les galaxies avec une densité impossible.
« Le ciel nocturne d'une telle galaxie serait éblouissant », a déclaré Bingjie Wang, maintenant boursier de la NASA Hubble à l'Université de Princeton qui a travaillé sur le journal en tant que chercheur postdoctoral à Penn State.
« Si cette interprétation est valable, cela implique que des étoiles se sont formées à travers des processus extraordinaires qui n'ont jamais été observés auparavant. »
Pour mieux comprendre le mystère, les chercheurs avaient besoin de spectres, un type de données qui pourraient fournir des informations sur la lumière des objets émis à différentes longueurs d'onde. Entre janvier et décembre 2024, les astronomes ont utilisé près de 60 heures de temps Webb pour obtenir des spectres à partir d'un total de 4 500 galaxies éloignées. Il s'agit de l'un des ensembles de données spectroscopiques les plus importants encore obtenus avec le télescope.
En juillet 2024, l'équipe a repéré un objet avec un spectre qui indique une énorme quantité de masse, ce qui en fait le cas le plus extrême d'un objet aussi précoce et grand. Les astronomes ont surnommé l'objet en question «la falaise», le signalant comme le cas de test le plus prometteur pour enquêter sur exactement quels étaient ces «petits points rouges».
« Les propriétés extrêmes de la falaise nous ont forcés à retourner à la planche à dessin et à proposer des modèles entièrement nouveaux », a déclaré Anna de Graaff, chercheuse du Max Planck Institute for Astronomy et auteur correspondant sur le journal, dans un communiqué de presse de l'Institut Max Planck.
L'objet était si distant que sa lumière a pris environ 11,9 milliards d'années pour atteindre la Terre. L'analyse des spectres de cette lumière a indiqué qu'il s'agissait en fait d'un trou noir supermassif, tirant dans son environnement à un rythme tel qu'il s'est cocoé dans une boule de gaz ardente. La lumière que Leja et ses collègues ont repérée provenaient non de grappes épaisses d'étoiles, mais d'un objet géant.
Les trous noirs sont au centre de la plupart des galaxies, a expliqué Leja. Dans certains cas, ces trous noirs sont des millions, voire des milliards de fois plus massifs que le soleil de notre système solaire, tirant dans la matière voisine avec une telle force qu'elle se convertit en énergie et brille.
« Personne ne sait vraiment pourquoi ni d'où ces gigantesques trous noirs au centre des galaxies », a déclaré Leja, qui est également affiliée à l'Institut de calcul de Penn State pour les sciences de la calcul et des données.
« Ces étoiles de trou noir pourraient être la première phase de formation pour les trous noirs que nous voyons dans les galaxies aujourd'hui – les trous noirs épumasseurs dans leur petite petite enfance. »
Il a ajouté que JWST a déjà trouvé des signes de trous noirs de masse élevée dans l'univers précoce. Ces nouveaux objets d'étoile Black Hole, qui sont essentiellement des constructeurs de masse turbocompressés, pourraient aider à expliquer l'évolution précoce de l'univers – et peuvent être un ajout bienvenu aux modèles actuels. L'équipe prévoit des travaux futurs pour tester cette hypothèse en examinant la densité du gaz et la force de ces premières étoiles de trou noir, a déclaré Leja.
Bien sûr, les mystérieux « petits points rouges » sont à une grande distance dans le temps et dans l'espace – et leur petite taille rend particulièrement difficile d'obtenir une image claire.
« C'est la meilleure idée que nous ayons et vraiment la première qui correspond à presque toutes les données, alors maintenant nous devons le dégluler davantage », a déclaré Leja.
« C'est normal de se tromper. L'univers est beaucoup plus étrange que nous ne pouvons l'imaginer et tout ce que nous pouvons faire, c'est suivre ses indices. Il y a encore de grandes surprises pour nous. »
