Le trou noir le plus ancien jamais confirmé pourrait expliquer d’étranges points rouges.

Des astronomes ont validé l’existence du trou noir le plus ancien et le plus lointain jamais identifié - et, pour son époque, il se révèle étonnamment colossal.

Il se trouve au sein d’une galaxie baptisée CAPERS-LRD-z9. À peine 500 millions d’années après le Big Bang, alors que l’Univers nouveau-né ne représentait qu’environ 3 % de son âge actuel, cet objet atteignait déjà une masse d’environ 300 millions de fois celle du Soleil.

Cette détection apporte aussi, au sens littéral, un nouvel éclairage sur une catégorie ancienne et énigmatique d’objets célestes appelée Little Red Dots (LRDs). Il s’agit de petits objets rouges très lumineux de l’Univers primitif, dont l’éclat et la compacité déconcertent. Ils apparaissent environ 600 millions d’années après le Big Bang, puis commencent à disparaître moins d’un milliard d’années plus tard.

Les LRDs n’ont été mis en évidence que récemment grâce aux capacités infrarouges sans précédent du JWST, qui permet d’explorer la Cosmic Dawn, c’est-à-dire les premières époques de l’Univers. Ce sont aussi les périodes les plus « rouges » : la lumière parvenant au JWST a été étirée vers des longueurs d’onde de plus en plus rouges au cours de son très long trajet à travers le tissu de l’espace-temps en expansion.

Au centre de CAPERS-LRD-z9, le trou noir supermassif nouvellement confirmé correspond à ce qu’on appelle un noyau actif de galaxie (AGN) : un trou noir central brillant, en phase d’alimentation rapide. Son apparence rouge s’explique par le fait qu’il est entouré d’un cocon incandescent de gaz et de poussières, ce qui pourrait en faire une « étoile de trou noir » digne de la science-fiction.

La gravité de ce trou noir supermassif propulse le gaz voisin à des vitesses vertigineuses d’environ 3 000 kilomètres par seconde, soit 1 % de la vitesse de la lumière. Ce sont précisément ces vents de gaz qui permettent aux astronomes de mettre en évidence des trous noirs grâce à la spectroscopie.

« Il n’y a pas beaucoup d’autres choses qui produisent cette signature », explique l’auteur principal Anthony Taylor, astrophysicien à l’Université du Texas à Austin.

La spectroscopie consiste à décomposer la lumière reçue en longueurs d’onde afin d’obtenir un spectre riche d’informations sur l’objet observé. Ici, les ondes lumineuses émises par le gaz autour du trou noir s’étirent et virent davantage au rouge lorsqu’elles s’éloignent de l’observateur. À l’inverse, la lumière se comprime et devient plus bleue lorsqu’elle se rapproche. Ces variations permettent de déterminer la vitesse de l’objet.

Point essentiel : la confirmation spectroscopique de CAPERS-LRD-z9 renforce l’hypothèse selon laquelle les LRDs abritent des trous noirs supermassifs - et le terme « supermassif » paraît presque trop faible, puisque certains atteignent 10 millions de masses solaires au cours de leur premier milliard d’années. À titre de comparaison, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée représente environ 4 millions de masses solaires.

Dans les LRDs, les trous noirs centraux pourraient même ne pas être seulement supermassifs, mais « surmassifs », avec des rapports de masse s’approchant de 10 % à 100 % de la masse stellaire de la galaxie hôte.

Dans le cas présent, le trou noir supermassif de CAPERS-LRD-z9, qui peut atteindre environ 300 millions de masses solaires, équivaut à peu près à la moitié de la masse de l’ensemble des étoiles de sa galaxie. En comparaison, dans des galaxies plus proches, les trous noirs centraux ne représentent souvent qu’environ 0,1 % de la masse stellaire.

Pour donner un autre ordre de grandeur, CAPERS-LRD-z9 est si compacte que même le JWST ne parvient pas à la résoudre. Sa taille semble être, au maximum, de 1 140 années-lumière de large - un gabarit comparable à celui des galaxies naines qui gravitent autour de la Voie lactée.

Selon les chercheurs, il existe deux scénarios permettant à un trou noir de devenir aussi massif en seulement 500 millions d’années de temps cosmique. Tous deux reposent sur l’existence d’un « germe » de trou noir déjà important, qui croît ensuite à des rythmes différents.

Si la croissance se fait à la limite théorique supérieure, appelée taux d’Eddington, le germe aurait pu démarrer aux alentours de 10 000 masses solaires.

Autre possibilité : un départ bien plus modeste, avec seulement 100 masses solaires. Dans ce cas, le germe devrait croître plus vite encore, au taux super-Eddington, alimenté de manière forcée par la gravité et par l’enveloppe de gaz épaisse et dense qui l’entoure.

Quant à l’origine de ces germes, ils pourraient provenir de trous noirs primordiaux formés lorsque le Big Bang a, littéralement, « explosé ». Ils pourraient aussi naître de l’effondrement des étoiles de Population III (ces premières étoiles, difficiles à observer, qui auraient illuminé le cosmos), de « collisions en chaîne » au sein d’amas d’étoiles très denses, ou encore de l’effondrement direct d’immenses nuages de gaz primordiaux.

Dans l’ensemble, il est difficile de regarder beaucoup plus loin dans l’espace-temps : « Quand on cherche des trous noirs, on est à peu près aussi loin dans le passé qu’on peut raisonnablement remonter. On repousse vraiment les limites de ce que la technologie actuelle est capable de détecter », ajoute Taylor.

Enfin, ces résultats apportent des éléments supplémentaires en faveur de l’idée que les LRDs constituaient un phénomène éphémère dans l’Univers primitif, et peut-être une étape initiale de l’évolution des galaxies - susceptible d’avoir, à terme, donné naissance à la Voie lactée elle-même.

Ces travaux sont publiés dans The Astrophysical Journal Letters.