Depuis quelques années, la découverte par le télescope spatial James-Webb (JWST) des fameux Little Red Dots (LRD) - ces mystérieux « petits points rouges » - est régulièrement sur le devant de l'actualité astronomique. Leur nature rend les astrophysiciens et les cosmologistes perplexes, ce qui en fait l'un des plus importants sujets de recherche actuels dans leur domaine.

Rappelons que plus de 300 objets ont été observés dans l'infrarouge en tant que LRD. On les voit qui commencent à apparaître dans les données du JWST environ 600 millions d'années après le Big Bang, avant de sembler disparaître 1,5 milliard d'années plus tard dans ces mêmes données. On sait qu'ils sont compacts, lumineux et émettent une combinaison caractéristique et inédite de lumière rouge et ultraviolette.

Les hypothèses vont bon train à leur sujet, étoiles supermassives, trous noirs supermassifs et depuis quelque temps, celle des « étoiles à trou noir » (black hole star).

On peut s'en convaincre dans ce dernier cas avec un article publié dans Nature et qui enfonce le clou par rapport à de précédents travaux dont Futura avait déjà parlés dans l'article ci-dessous.

Sur ces images du télescope spatial James-Webb (JWST), l'étoile associée au trou noir apparaît comme un petit point rouge. De tels petits points rouges sont extrêmement courants sur les images du JWST. © Rohan Naidu

Les Little Red Dots, mirages ou miracles ?

Si les Little Red Dots sont bien des étoiles à trous noirs, alors il s'agit d'un astre qui ressemble de loin à une étoile gigantesque mais d'une taille comparable à celle de notre Système solaire. Il s'agirait donc d'un trou noir géant, mais entouré de l'équivalent d'une atmosphère solaire bien plus lumineuse, au point de briller 100 milliards de fois plus qu'une étoile classique.

L'énergie à l'origine de ce formidable rayonnement ne serait pas produite par des réactions thermonucléaires, mais par l'accrétion de la matière sur le trou noir central. On sait que c'est un processus de conversion de masse en énergie bien plus efficace que la fusion des noyaux, ce qui a permis d'ailleurs d'expliquer l'origine de l'énergie prodigieuse des quasars.

Ce sont de nouvelles observations du JWST concernant un LRD, étudié alors que le cosmos observable n'avait guère plus de 600 millions d'années, et combinées à des simulations numériques qui confortent aujourd'hui l'hypothèse des étoiles à trou noir.

L'astre en question a été baptisé MoM-BH*-1, d'après le programme d'observation « Mirage or Miracle » (MoM) qui l'a découvert et l'expression « black hole star - one », suggérant qu'il pourrait être le premier représentant d'une population beaucoup plus nombreuse, comme l'explique un communiqué du MIT.

Rohan Naidu, auteur principal de l'étude publiée, chercheur Nasa Hubble et Pappalardo Fellow, au Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du MIT, y ajoute : « Notre vision de cet objet évolue très rapidement. Nous pensons qu'il existe un trou noir central d'environ 100 000 masses solaires. Autour de ce trou noir se trouverait une enveloppe de gaz très étendue, ressemblant à une étoile de la taille du Système solaire. C'est énorme... L'existence de ces nombreuses galaxies très brillantes à des époques extrêmement précoces constitue une énigme... Nous avons découvert que ce qui ressemble à une galaxie primitive extraordinairement brillante - autrement dit un "miracle" - pourrait parfois être en réalité un "mirage". »

Les étoiles (à gauche) peuvent être considérées comme des sphères de gaz denses alimentées par la fusion nucléaire en leur cœur. Les trous noirs (au centre) grossissent généralement en absorbant de la matière via un disque d'accrétion aplati, semblable à une galette. Les « étoiles à trou noir » (à droite) constituent une nouvelle catégorie d'objets : des trous noirs naissants enveloppés d'une couche de gaz dense, ce qui leur permet de rayonner à la manière d'une étoile. Le trou noir en phase d'accrétion fait office de source d'énergie – remplaçant la fusion nucléaire – tandis que le gaz dense environnant joue un rôle analogue à celui d'une pseudo-photosphère. © Rohan Naidu, ChatGPT

Une étoile à trou noir révélée par la discontinuité de Balmer

Les dernières observations montrent que le spectre de MoM-BH*-1 possède une discontinuité de Balmer (Balmer break, en référence à une discontinuité dans l'intensité du rayonnement d'une population d'atomes d'hydrogène selon la série de Balmer). Cela signifie que l'astre n'apparaît plus lumineux en dessous de certaines longueurs d'onde, ce qui n'est pas compatible avec l'idée que le caractère particulièrement rouge des LRD provient d'enveloppés de gaz riches en poussière. 

En revanche, la discontinuité de Balmer s'explique bien avec un modèle qui d'ordinaire est associé à du gaz dense absorbant certains photons dans les atmosphères d'étoiles âgées de quelques centaines de millions d'années. Véga, l'une des étoiles les plus brillantes du ciel nocturne, présente par exemple cette signature. Toutefois, la cassure observée ne colle pas avec celle des étoiles ordinaires, pas plus que la quasi-absence de signature spectrale d'éléments autres que l'hydrogène et l'hélium.

Tout rentre dans l'ordre pour rendre compte des observations avec des simulations de transfert radiatif, comme disent les astrophysiciens dans leur jargon, en faisant varier les paramètres des modèles employés pour arriver à coller au mieux aux observations - c'est-à-dire en supposant l'existence d'une galaxie avec un trou noir central d'environ 100 000 fois la masse du Soleil, entouré d'un cocon extrêmement dense d'hydrogène ressemblant à une enveloppe stellaire.