Une nouvelle classe de trous noirs supermassive intégrés dans une coquille de gaz épaisse pourrait expliquer de petits points rouges dans des images du télescope spatial James Webb.
Le télescope spatial James Webb et ses caméras infrarouges sont spécialisés pour chercher profondément dans l'univers, même dans les objets les plus éloignés et les plus anciens. Une caractéristique de ces galaxies est qu'elles semblent particulièrement rougeâtres, et plus elles sont éloignées, plus elles deviennent petites. Cependant, une classe spéciale d'objets, les «petits points rouges», a perplexe les astronomes. Sont ces jeunes galaxies? Cependant, selon des mesures indépendantes, ces points rouges sont beaucoup trop massifs pour être les premières galaxies. Cliffhanger: Un objet nouvellement découvert pourrait résoudre le mystère. Les chercheurs l'ont nommé «la falaise».
Les résultats sont publiés dans la revue Astronomie et astrophysique.
Au cours de l'été 2022, moins d'un mois complet après que le télescope spatial James Webb (JWST) avait commencé à produire ses premières images scientifiques, les astronomes ont remarqué quelque chose d'inattendu: de petits points rouges. Dans les photos prises à la sensibilité sans précédent de JWST, ces objets célestes très compacts et très compacts ont montré très clairement sur le ciel et il semblait y en avoir un nombre considérable.
WST avait apparemment découvert une toute nouvelle population d'objets astronomiques, qui avait échappé au télescope spatial Hubble. Cette dernière partie n'est pas surprenante. « Très rouge » est un jargon d'astronomie pour les objets qui émettent la lumière principalement à des longueurs d'onde plus longues. Les petits points rouges émettent une lumière principalement à des longueurs d'onde au-delà de 10 millions de mètres, dans le milieu infrarouge. Hubble ne peut pas observer aux longueurs d'onde aussi longtemps. JWST, en revanche, est conçu pour couvrir cette gamme.
Des données supplémentaires ont montré que ces objets étaient en effet loin. Même les exemples les plus proches étaient si loin que leur lumière avait pris 12 milliards d'années pour nous atteindre. Les astronomes regardent toujours le passé, et nous voyons un objet dont la lumière prend 12 milliards d'années pour nous atteindre car il y a 12 milliards d'années, à peine 1,8 milliard d'années après le Big Bang.
Des galaxies jeunes inexplicables et massives?
C'est là que les choses deviennent risquées. Afin d'interpréter les observations astronomiques, vous avez besoin d'un modèle de l'objet en question. Lorsque les astronomes indiquent leurs données et disent « Ceci est une star », la déclaration est livrée avec beaucoup de bagages. Il est digne de confiance uniquement parce que les astronomes ont des modèles physiques robustes de ce qu'est une étoile – en bref, une boule de plasma géante maintenue par sa propre gravité, produisant de l'énergie par la fusion nucléaire en son centre.
Vous avez également besoin d'une bonne compréhension de l'apparence des étoiles à la fois dans les images et dans la décomposition arc-en-ciel de la lumière connue sous le nom de spectre. À son tour, si vous voyez un objet avec le bon type d'apparence et le bon type de spectre, vous pouvez dire en toute confiance qu'il s'agit d'une étoile.
Les petits points rouges ne semblaient pas s'intégrer dans les créneaux habituels, alors les astronomes ont décidé de regarder au-delà des objets standard. L'une des premières interprétations offertes a été une bombe en soi: dans cette interprétation, les petits points rouges étaient des galaxies extrêmement riches en étoiles, leur légère rouge par d'énormes quantités de poussière environnante.
Dans notre propre quartier cosmique, si vous mettez notre système solaire dans un cube d'une année-lumière, ce cube ne contiendrait qu'une seule étoile: notre soleil. Dans les galaxies riches en étoiles postulées pour expliquer les petits points rouges, un cube de cette taille contiendrait plusieurs centaines de mille étoiles.
Dans notre galaxie natale, la Voie lactée, la seule région qui dense dans les étoiles est le noyau central, mais qui ne contient qu'environ un millième des étoiles nécessaires dans ces modèles à pointe rouge. Le nombre d'étoiles impliqués, jusqu'à des centaines de milliards de masses solaires d'une valeur inférieure d'un milliard d'années après le Big Bang, a soulevé des questions majeures sur la compréhension de base des astronomes de l'évolution de la galaxie: pourrions-nous même expliquer comment ces galaxies ont produit tant de stars, si rapidement?
Le co-auteur Bingjie Wang (Penn State University) explique: « Le ciel nocturne d'une telle galaxie serait éblouissant.
Galaxies vs noyaux galactiques actifs
L'interprétation elle-même est restée controversée. La communauté s'est divisée en deux camps: un groupe qui a favorisé l'interprétation de plusieurs étoiles et plus, et une autre qui a interprété de petits points rouges comme des noyaux galactiques actifs, mais également obscurci par une poussière abondante. Les noyaux galactiques actifs sont ce que nous voyons lorsqu'un flux constant de matière tombe sur le trou noir central d'une galaxie, formant un disque d'accrétion extrêmement chaud et soi-disant autour de l'objet central.
Mais cette deuxième interprétation est venue avec ses propres limitations. Il existe des différences marquées entre les spectres de petits points rouges et ceux des noyaux galactiques actifs roulés par la poussière avaient précédemment observé. De plus, cette interprétation nécessiterait des masses extrêmement grandes pour les trous noirs supermassifs au centre de ces objets – et étonnamment beaucoup d'entre eux, étant donné le grand nombre de petits points rouges qui avaient été trouvés.
Il y avait également un consensus que pour résoudre le puzzle, les astronomes auraient besoin de données d'observation de plus en plus différentes. Les observations JWST originales avaient fourni des images. Pour tester les interprétations physiques, les astronomes ont besoin de spectres: des informations détaillées sur la quantité de lumière qu'un objet émet à différentes longueurs d'onde. Pour les meilleurs télescopes, il existe une concurrence considérable pour l'observation du temps.
Une fois qu'il est devenu clair à quel point les petits points rouges étaient intéressants, de nombreux astronomes du monde entier ont commencé à demander le temps de les observer de plus près. L'une de ces applications a été le programme de rubis formulé par Anna de Graaff au Max Planck Institute for Astronomy de Heidelberg et une équipe internationale de collègues, où l'acronyme représente « Red inconnues: Bright Infrared Extragalactic Survey ».
Les trésors lointains de rubis
L'application de rubis a réussi et entre janvier et décembre 2024, les astronomes ont utilisé près de 60 heures de temps JWST pour obtenir des spectres à partir d'un total de 4500 galaxies lointaines, l'un des plus grands ensembles de données spectroscopiques obtenus avec JWST à ce jour. Comme le dit Raphael Hviding (MPIA): « Dans cet ensemble de données, nous avons trouvé 35 petits points rouges. La plupart d'entre eux avaient déjà été trouvés en utilisant des images JWST accessibles au public. Mais ceux qui étaient nouveaux se sont avérés être l'objet le plus extrême et le plus fascinant. »
Le plus intéressant de tous était le spectre d'un objet que les astronomes ont trouvé en juillet 2024. Les astronomes ont surnommé l'objet en question «la falaise», et cela semblait être une version extrême de la population de petits points rouges – et par ce fait, un cas de test prometteur pour les interprétations de ce que les petits points rouges étaient. La falaise est si éloignée de nous que sa lumière a pris 11,9 milliards d'années pour nous atteindre (Redshift Z = 3,55).
« The Cliff » tire son nom de la caractéristique la plus importante de son spectre: une augmentation abrupte de ce qui serait la région ultraviolette, aux longueurs d'onde un peu plus courte que celle de la lumière visible violet. « Serait » parce que notre univers se développe: une conséquence directe est que, pour un objet aussi éloigné que la falaise, cette longueur d'onde est étirée à près de cinq fois sa valeur d'origine, atterrissant carrément dans le quasi-infrarouge (« Cosmological Redshift »).
Une montée importante de ce genre, à ces longueurs d'onde, est connue sous le nom de «Balmer Break». Les ruptures de Balmer peuvent être trouvées dans les spectres des galaxies ordinaires, où elles sont généralement vues dans les galaxies qui forment peu ou pas de nouvelles étoiles à l'époque. Mais dans ces cas, la montée est beaucoup moins abrupte que la falaise.
Une curieuse similitude avec les étoiles simples
Avec cette caractéristique incontournable et inhabituelle, la falaise semblait ne pas convenir à aucune des interprétations qui avaient été proposées pour de petits points rouges. Mais De Graaff et ses collègues voulaient s'assurer. Ils ont construit diverses variations de tous les modèles qui ont essayé de lancer de petits points rouges soit sous forme de galaxies massives de formation d'étoiles, soit sous forme de noyaux galactiques actifs enveloppés de poussière, ont tenté de reproduire le spectre de la falaise avec chacun et ont échoué à chaque fois.
Entrer les étoiles du trou noir
Sur cette base, De Graaff et ses collègues ont développé un modèle que certains d'entre eux ont pris à l'appel d'une « étoile de trou noir », écrite comme BH *: un noyau galactique actif, c'est-à-dire un trou noir supermassif avec un disque d'accrétion, mais entouré et rougis non pas par la poussière, mais par la vertu d'être incorporé dans une envellement épaisse de gaz hydrrogène. Le BH * n'est pas une étoile au sens strict, car il n'y a pas de réacteur de fusion nucléaire en son centre.
De plus, le gaz dans l'enveloppe tourbillonne beaucoup plus violemment (il y a une turbulence beaucoup plus forte) que dans toute atmosphère stellaire ordinaire. Mais la physique de base est similaire: le noyau galactique actif chauffe l'enveloppe de gaz environnante, tout comme le centre induit par une fusion nucléaire d'une étoile chauffe les couches externes de l'étoile, de sorte que l'apparence extérieure a marqué des similitudes.
Les modèles formulés par De Graaff et ses collègues à ce stade sont des preuves de concept – le travail de pionnier, mais pas par mesure un ajustement parfait. Pourtant, ces modèles d'étoiles de trou noir décrivent les données beaucoup mieux que tout autre type de modèle. En particulier, la forme de la falaise donnée dans le spectre s'explique bien en supposant une enveloppe de gaz sphérique turbulente, dense et sphérique autour d'un AGN.
De ce point de vue, la falaise serait un exemple extrême où l'étoile du trou noir central domine la luminosité de l'objet. Pour les autres petits points rouges, leur lumière serait un mélange plus uniforme de l'étoile du trou noir central avec la lumière des étoiles et du gaz dans les parties environnantes de la galaxie.
Un nouveau mécanisme pour la formation rapide de la galaxie précoce?
Si une étoile de trou noir est en effet la solution, elle pourrait avoir un autre avantage potentiel. Les systèmes de ce type avaient déjà été étudiés dans un cadre purement théorique, avec des trous noirs de masse intermédiaire beaucoup plus légers. Là, la configuration d'un trou noir central et de l'enveloppe de gaz environnante a été considérée comme un moyen pour la masse des trous noirs centraux des Galaxies très tôt poussant particulièrement rapidement.
Étant donné que JWST a trouvé des preuves solides de trous noirs à haute masse dans l'univers précoce, une configuration qui pourrait expliquer la croissance de masse ultra-rapide des trous noirs serait un ajout bienvenu aux modèles actuels d'évolution de la galaxie. Que les étoiles de trou noir supermassive puissent faire de même est toujours indéterminée, mais ce serait une expansion intrigante de leur rôle s'ils le faisaient!
Aussi prometteur que cela puisse paraître, les mises en garde sont en ordre. Le nouveau résultat est tout nouveau. Le rapport sur l'informatique est conforme à la pratique acceptée de couvrir les résultats scientifiques une fois qu'ils sont publiés dans, ou du moins acceptés par, une revue évaluée par des pairs. Mais pour savoir si cela devient une partie de confiance de la vision de l'astronomie de l'univers, nous devrons attendre au moins quelques années de plus.
Questions ouvertes
Le résultat actuel représente un pas en avant majeur: le premier modèle qui peut expliquer la forme inhabituelle de la falaise, la rupture de Balmer de l'objet extrême. Comme tout pas en avant significatif, cela conduit à de nouvelles questions de recherche ouvertes: comment une telle étoile de trou noire aurait-elle pu se former? Comment le maintien de l'enveloppe de gaz inhabituelle peut-elle être maintenue plus longtemps? (Étant donné que le trou noir engloutit le gaz environnant, il doit y avoir un mécanisme pour « ravitailler » l'enveloppe.) Comment se produisent les autres caractéristiques du spectre de la falaise?
Répondre à ces questions nécessite des contributions de la modélisation astrophysique, mais il est également prêt à bénéficier d'une observation approfondie. En fait, De Graaff et son équipe ont déjà l'approbation des observations de suivi de JWST pour de petits points rouges d'un intérêt particulier, comme la falaise, prévue pour l'année prochaine.
Ces futures observations mettront en lumière si les étoiles de trou noir sont en effet l'explication de la façon dont les galaxies d'aujourd'hui sont devenues ce qu'elles sont. À ce stade, ce résultat est une possibilité intrigante, mais loin d'être certain.
