Une véritable révolution : le télescope James Webb bouleverse notre compréhension des plus grands et anciens trous noirs de l’univers.

Ils sont si anciens, si massifs et apparus si tôt que les théories établies depuis des décennies sur la croissance de ces objets commencent à vaciller. Les astronomes s’efforcent désormais de redessiner la chronologie des moteurs les plus extrêmes de l’Univers.

L’effondrement silencieux d’une théorie longtemps admise

Pendant des années, le scénario paraissait limpide. Les étoiles très massives meurent, leur cœur s’effondre, et naissent des trous noirs quelques fois plus lourds que le Soleil. Avec suffisamment de temps, ces petits trous noirs fusionnent, engloutissent du gaz et de la poussière et, sur des milliards d’années, gonflent jusqu’à devenir les trous noirs supermassifs que l’on observe aujourd’hui au centre des galaxies.

Cette histoire ne colle plus aux données.

Le télescope spatial James Webb (JWST) repère des trous noirs déjà gigantesques alors que l’Univers n’en est qu’à ses débuts - à peine quelques centaines de millions d’années après le Big Bang. Ces objets affichent des masses allant de millions à milliards de masses solaires, mais semblent apparaître bien trop tôt pour la voie traditionnelle d’une « croissance lente ».

JWST est en train de contraindre les astronomes à accepter que certains des plus grands trous noirs de l’Univers ont tout simplement sauté la phase de l’enfance.

Des indices d’un problème remontent à plus de 20 ans. Des campagnes d’observation comme le Sloan Digital Sky Survey ont commencé à détecter des quasars très brillants - alimentés par des trous noirs supermassifs - alors que l’Univers n’avait qu’environ 800 millions d’années. Déjà, les chercheurs peinaient à comprendre comment quelque chose pouvait atteindre une telle taille en si peu de temps.

Aujourd’hui, JWST a repoussé l’énigme de quelques centaines de millions d’années supplémentaires, rendant l’accord avec le modèle classique encore plus difficile.

Des géants mystérieux dans un Univers bébé

Parmi les cas les plus parlants figure un système nommé UHZ1, observé lorsque l’Univers avait environ 470 millions d’années. Il abrite un trou noir d’environ 40 millions de masses solaires.

Rien que cela serait stupéfiant. Mais ce qui rend UHZ1 particulièrement convaincant, c’est sa signature lumineuse. JWST mesure sa lumière infrarouge, provenant surtout des étoiles et de poussières chaudes. L’observatoire à rayons X Chandra enregistre ses rayons X, produits lorsque la matière spiralise vers un trou noir central.

Dans UHZ1, les émissions infrarouges et X sont d’une luminosité inhabituellement comparable. Cela suggère un trou noir dont la masse est équivalente à celle de toutes les étoiles de sa petite galaxie réunies - voire supérieure. C’est l’inverse complet de ce que l’on observe dans des galaxies comme la Voie lactée, où les étoiles dépassent très largement la masse du trou noir central.

UHZ1 ressemble exactement au type d’objet qu’avaient anticipé certains théoriciens : un trou noir né grand, et non lentement engraissé.

Trous noirs à effondrement direct : sauter l’étape « étoile » (mots-clés : trous noirs, JWST)

Cette observation mène à une hypothèse majeure : les trous noirs à effondrement direct. Dans ce scénario, d’immenses nuages primitifs d’hydrogène et d’hélium, dans l’Univers jeune, s’effondrent d’un seul coup sous l’effet de leur propre gravité, formant immédiatement des trous noirs pesant de mille à un million de Soleils.

Ces « graines » massives peuvent ensuite continuer à se nourrir du gaz environnant et fusionner entre elles, atteignant des tailles supermassives bien plus vite que les trous noirs issus de la mort des étoiles ne pourraient le faire.

Les théoriciens avaient aussi décrit l’apparence attendue de ces objets pour JWST : une source extrêmement compacte, très lumineuse par rapport à la galaxie hôte, et présentant des couleurs spécifiques dans l’infrarouge. UHZ1 semble cocher ces critères, ce qui renforce l’idée que l’effondrement direct a réellement eu lieu.

L’énigme des « petites taches rouges »

UHZ1 n’est pas une curiosité isolée. Depuis le début des opérations scientifiques de JWST, les astronomes ont identifié une population d’objets compacts et rougeâtres à très grande distance. Ils apparaissent dans plusieurs grands relevés profonds, dont CEERS, JADES et NGDEEP.

Ces sources ont rapidement hérité d’un surnom : les « petites taches rouges ». Au départ, beaucoup de chercheurs y voyaient des galaxies précoces incroyablement massives, si denses qu’elles risquaient de mettre à mal les modèles cosmologiques standards. À mesure que JWST a accumulé des données, une autre interprétation s’est dessinée.

Beaucoup de petites taches rouges ressemblent moins à d’immenses galaxies qu’à des trous noirs dénudés et surdimensionnés.

Prenons QSO1, observé alors que l’Univers n’avait qu’environ 700 millions d’années. En analysant la manière dont le gaz orbite autour de son centre, les astronomes peuvent en estimer la masse. Le gaz y tourbillonne à des vitesses indiquant un trou noir d’environ 50 millions de masses solaires.

La surprise survient quand on cherche la galaxie hôte. Il existe à peine des traces d’une vaste population d’étoiles autour.

QSO1 semble donc être un trou noir massif entouré d’une galaxie minuscule - ou presque inexistante. Un agencement qui, jusqu’à l’arrivée de JWST, ne vivait que dans des articles théoriques.

Une nouvelle créature cosmique possible : la quasi-étoile

Un autre objet surnommé « The Cliff » pourrait correspondre à une étape différente - et encore plus étrange - de la croissance des trous noirs. Sa masse semble atteindre des milliards de masses solaires et il est observé environ 1,8 milliard d’années après le Big Bang.

Les instruments de JWST y détectent un saut abrupt de luminosité à une longueur d’onde précise, une signature associée à de l’hydrogène gazeux très dense. Ce motif correspond aux prédictions pour une « étoile à trou noir », parfois appelée quasi-étoile.

Une quasi-étoile n’est pas une étoile au sens classique, mais un trou noir enveloppé dans un manteau de gaz gonflé et lumineux.

Dans cette représentation, un trou noir à effondrement direct naît au cœur d’un gigantesque nuage de gaz. Il se nourrit très rapidement, émettant un rayonnement qui fait « enfler » le gaz environnant en une enveloppe énorme, semblable à celle d’une étoile. Vu de loin, l’objet pourrait évoquer une étoile unique démesurée, alors qu’en réalité il s’agit d’un trou noir dans un cocon.

Certains trous noirs sont-ils nés avant les galaxies ?

L’effondrement direct n’est pas l’unique piste. Une option plus radicale remonte encore plus loin, jusqu’aux tout premiers instants après le Big Bang.

Dans les années 1970, Stephen Hawking a proposé que des régions très denses de l’Univers primordial aient pu s’effondrer directement en ce que l’on appelle des trous noirs primordiaux. Contrairement aux trous noirs issus d’étoiles mourantes, ceux-ci proviendraient de fluctuations de densité dans le jeune cosmos, avec potentiellement une large gamme de masses.

Si certains de ces trous noirs primordiaux étaient suffisamment massifs et s’ils fusionnaient fréquemment, ils pourraient fournir les graines des monstres que JWST met aujourd’hui en évidence. Une étude suggère cette voie pour la galaxie GN-z11, observée seulement 400 millions d’années après le Big Bang et abritant déjà un trou noir d’un million de masses solaires.

Il existe aussi une hypothèse intermédiaire : les trous noirs « pas tout à fait primordiaux ». Dans ce cadre, des amas denses de gaz s’effondrent dans les tout premiers millions d’années, avant que les étoiles ne s’allument, mais pas aussi tôt que dans la proposition originale de Hawking. Ces objets se rapprocheraient des trous noirs à effondrement direct, tout en naissant dans des conditions légèrement différentes.

Ce que révèlent les empreintes chimiques

Un indice utile provient de la composition chimique de ces systèmes jeunes. Les éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium - comme le carbone, l’oxygène et le fer - se forment principalement au cœur des étoiles et se dispersent lors des explosions de supernovae.

Or, beaucoup des trous noirs et des galaxies que JWST observe à de grandes distances montrent des niveaux très faibles de ces éléments lourds. Cela indique que leur gaz a très peu été transformé par des générations précédentes d’étoiles.

Cette chimie presque intacte suggère que certains trous noirs précoces se sont formés avant que beaucoup d’étoiles aient eu le temps de naître et de mourir.

Cela s’accorde naturellement avec des scénarios où les trous noirs apparaissent directement à partir de nuages de gaz primordiaux ou quasi primordiaux, plutôt qu’à partir des restes d’étoiles géantes.

Une famille composite de monstres cosmiques

La plupart des astronomes pensent qu’il n’existera pas un mécanisme unique, propre et universel, pour expliquer tous les trous noirs supermassifs. À la place, plusieurs processus ont probablement agi en parallèle, certains dominant selon les époques et les environnements.

• Trous noirs à effondrement direct : des nuages de gaz s’effondrant directement en trous noirs massifs
  
• Trous noirs primordiaux ou de l’Univers très jeune : nés de fluctuations de densité peu après le Big Bang
  
• Trous noirs issus de l’effondrement stellaire : croissance lente à partir de la mort d’étoiles massives
  

Les missions à venir aideront à estimer la part de chaque voie. La mission Euclid de l’Agence spatiale européenne, lancée en 2023, cartographiera de vastes zones du ciel et identifiera davantage de candidats lointains. Le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA, dont le lancement est prévu en 2027, apportera en plus sa vision infrarouge grand champ.

Avec JWST, ces observatoires devraient révéler des milliers d’autres trous noirs précoces, permettant aux chercheurs de mesurer à quel point chaque scénario de formation est fréquent.

Pourquoi cela change notre vision de l’Univers

Les trous noirs supermassifs ne sont pas de simples passagers au centre des galaxies. Leur rayonnement intense et leurs jets peuvent chauffer le gaz et l’expulser, freinant ou au contraire déclenchant la formation d’étoiles. Ils peuvent aussi brasser et remodeler la matière environnante à des échelles immenses.

Si certains trous noirs sont apparus très tôt et déjà très massifs, ils ont peut-être pesé sur la croissance des premières galaxies et des amas. Cela influence, en cascade, la manière dont les grandes structures de l’Univers se sont assemblées, ainsi que la transition du cosmos primordial - sombre et rempli d’un brouillard neutre - vers un espace transparent illuminé par les étoiles.

Réécrire l’histoire d’origine des trous noirs, c’est réécrire une partie de l’histoire cosmique elle-même.

Termes clés que les lecteurs demandent souvent

Trou noir : une région de l’espace où la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper une fois franchie une frontière appelée horizon des événements.

Quasar : une galaxie dont le trou noir supermassif central est activement en train de se nourrir, produisant un disque de gaz brûlant d’une luminosité aveuglante et un rayonnement puissant.

Décalage vers le rouge : une mesure de l’étirement de la lumière d’objets lointains par l’expansion de l’Univers. Un décalage vers le rouge élevé signifie que l’on regarde plus loin dans le passé.

Comment les simulations mettent ces idées à l’épreuve

Pour vérifier si ces scénarios de formation fonctionnent réellement, les astrophysiciens s’appuient sur d’énormes simulations informatiques. Ces modèles suivent le comportement de la matière noire, du gaz, du rayonnement et de la gravité sur des milliards d’années-lumière, à partir de conditions juste après le Big Bang.

En ajustant la manière dont le gaz se refroidit, s’effondre et se fragmente, et en ajoutant différentes « recettes » de formation de trous noirs, les chercheurs construisent des univers fictifs. Ils comparent ensuite les populations de trous noirs simulées à celles que JWST et d’autres télescopes observent réellement.

Si une simulation incluant, par exemple, des trous noirs à effondrement direct produit naturellement des objets de type UHZ1, en bon nombre et au bon moment, la confiance dans ce mécanisme s’accroît. Si elle échoue, il faut ajuster les modèles - ou imaginer des idées entièrement nouvelles.

À mesure que les jeux de données de JWST, d’Euclid puis, plus tard, de Roman s’étoffent, ces simulations seront mises à l’épreuve plus sévèrement encore. Beaucoup de chercheurs s’attendent à d’autres surprises - et peut-être à d’autres « casseurs d’Univers » - cachées dans les données.