James Webb découvre une « étoile trou noir » de la taille du système solaire

Des astronomes ont découvert ce qui pourrait être un tout nouveau type d’objet astrophysique : une « étoile à trou noir » qui combine un trou noir massif avec une énorme enveloppe de gaz semblable à celle d’une étoile. Cet objet, baptisé MoM-BH*-1, a été repéré par le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA dans l’univers primitif, quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang.

L’objet apparaît sous la forme d’un point rouge extrêmement brillant, d’une taille équivalente à celle de notre système solaire. Pourtant, son rendement énergétique est estimé à 100 milliards de fois celui d’une étoile ordinaire, ce qui rend impossible la fusion nucléaire classique comme source d’énergie. Les chercheurs pensent plutôt que l’objet est alimenté par un trou noir central entouré d’un énorme nuage dense d’hydrogène gazeux.

« Nous pensons qu’il existe un trou noir central dont la masse est 100 000 fois supérieure à celle du Soleil », a déclaré l’auteur principal, Rohan Naidu, boursier Hubble de la NASA et boursier Pappalardo à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. Ce trou noir serait entouré d’une vaste enveloppe de gaz d’une taille équivalente à celle du système solaire, ce qui confère à l’objet son aspect stellaire.

Cette découverte a été faite dans le cadre du programme d’étude Mirage ou Miracle (MoM), qui analysait les observations du JWST à la recherche de certaines des plus anciennes galaxies de l’univers. Les chercheurs ont remarqué qu’une source particulièrement brillante semblait inhabituelle en raison de sa couleur rouge intense.

On considère souvent que les objets rouges visibles sur les images de l’espace lointain sont entourés de poussière, ce qui peut altérer la couleur apparente de leur lumière. Cependant, MoM-BH*-1 présentait un certain nombre d’autres caractéristiques inhabituelles. Sa lumière présentait une rupture de Balmer exceptionnellement profonde, une caractéristique spectrale associée à l’absorption de photons par du gaz dense dans les atmosphères stellaires. L’objet ne présentait par ailleurs pratiquement aucune trace d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium.

Les chercheurs ont ensuite réalisé des simulations de différentes configurations possibles afin de déterminer ce qui pouvait produire le spectre et la luminosité caractéristiques de l’objet. Ils ont découvert qu’une enveloppe d’hydrogène extrêmement dense pouvait expliquer ces caractéristiques spectrales inhabituelles, mais pas la quantité extraordinaire d’énergie émise.

Un trou noir s’est avéré être la pièce manquante du puzzle. En ajoutant à leurs modèles un trou noir en accrétion active et en faisant varier sa masse ainsi que d’autres paramètres, les chercheurs ont trouvé une configuration qui correspondait étroitement aux observations du JWST. Leurs simulations suggèrent que MoM-BH*-1 contient un trou noir dont la masse est environ 100 000 fois supérieure à celle du Soleil, entouré d’une enveloppe dense d’hydrogène d’une taille équivalente à celle du système solaire.

L’objet proposé est fondamentalement différent tant d’une étoile ordinaire que d’un trou noir classique. Dans une étoile normale, la fusion nucléaire fournit l’énergie tandis que le gaz environnant forme le corps stellaire. Dans une étoile à trou noir, le trou noir en accrétion sert de source d’énergie, tandis que le gaz dense environnant crée une enveloppe externe semblable à celle d’une étoile. L’illustration jointe au document du MIT met en parallèle ces trois structures, montrant que l’enveloppe de l’étoile à trou noir s’étend à une échelle comparable à celle du système solaire.

Cette découverte pourrait également contribuer à élucider l’un des plus grands mystères soulevés par le JWST : les nombreux « petits points rouges » apparaissant dans les observations de l’univers primitif. Ces objets sont extrêmement courants sur les images du JWST, mais semblent avoir en grande partie disparu de l’univers actuel.

Les chercheurs soupçonnent que bon nombre de ces petits points rouges pourraient en réalité être des étoiles à trou noir nichées au sein de galaxies primitives. MoM-BH*-1 semble atypique car elle est si brillante qu’elle éclipse pratiquement sa galaxie hôte, permettant ainsi aux astronomes d’observer ce que l’équipe décrit comme une lumière presque pure provenant de l’étoile à trou noir.

L’étude, intitulée « A Gas Enshrouded and Gas Reddened Black Hole at Cosmic Dawn », a été publiée dans la revue *Nature*. Si cette interprétation est confirmée par de nouvelles observations, les étoiles-trous noirs pourraient apporter une nouvelle explication à la formation et à l’évolution des trous noirs massifs dans l’univers primitif.