Depuis son déploiement, le James Webb Space Telescope (JWST) a fondamentalement modifié notre compréhension de l'univers primitif en capturant des images d'objets mystérieux, compacts et extrêmement rouges, familièrement appelés « Little Red Dots » (LRDs). Pendant des années, les astronomes ont débattu pour savoir si ces sources à haut redshift (situées entre $z \sim 2$ et $z \sim 9$) étaient de minuscules galaxies ultra-denses ou des noyaux actifs de galaxies (AGN) obscurcis. Une nouvelle étude révolutionnaire menée par des chercheurs, dont Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan, et Sandro Tacchella, propose une troisième possibilité plus exotique : ces objets sont des étoiles à trou noir (BH*s), une phase transitoire où un trou noir en pleine croissance est cocooné à l'intérieur d'une enveloppe de gaz massive et dense qui surpasse totalement l'éclat de sa galaxie hôte.
Qu'est-ce que le JWST a découvert dans l'univers primitif ?
Le télescope spatial James Webb (JWST) a découvert une population d'objets compacts à haut redshift, connus sous le nom de « Little Red Dots », qui apparaissent remarquablement rouges dans les longueurs d'onde optiques au repos. Ces sources, remontant à seulement quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, présentent des luminosités extrêmes et des structures compactes qui remettent en question les modèles existants de formation des galaxies et de croissance des trous noirs.
La découverte de ces objets était inattendue car leurs signatures spectrales ne correspondaient pas clairement aux corps célestes connus. Initialement, le débat portait sur la question de savoir si la rougeur était causée par d'anciennes populations stellaires dans une galaxie quiescente ou par un fort obscurcissement dû à la poussière autour d'un trou noir central. L'équipe de recherche a utilisé des spectres de haute qualité issus de NIRSpec/PRISM provenant d'un échantillon de 98 LRD pour explorer plus en profondeur ces « Little Red Dots », cherchant à identifier le mécanisme spécifique à l'origine de leur production d'énergie intense.
Pour isoler la véritable nature de ces objets, les chercheurs ont développé un nouveau schéma afin de dissocier le moteur central de la galaxie hôte environnante. Ils sont partis de l'hypothèse que la raie d'émission [OIII] 5008Å provient exclusivement du milieu interstellaire de la galaxie hôte plutôt que du noyau compact. En soustrayant la contribution de la galaxie hôte sur la base de cette raie, l'équipe a révélé la distribution spectrale d'énergie (SED) sous-jacente du « cœur » du LRD, ce qui a fourni les premières preuves à l'échelle de la population pour les étoiles à trou noir.
Les Little Red Dots sont-ils réellement des étoiles à trou noir ?
Les preuves suggèrent que de nombreux Little Red Dots sont effectivement alimentés par des étoiles à trou noir, qui sont des singularités centrales enveloppées dans d'épaisses enveloppes de gaz opaques. Après avoir soustrait la lumière de la galaxie hôte, les chercheurs ont découvert que le noyau restant ressemble à une SED de type corps noir avec une température d'environ 4 050 K, bien plus cohérente avec une enveloppe gazeuse qu'avec une galaxie traditionnelle.
Le modèle de l'« étoile à trou noir », souvent appelé quasi-étoile (quasistar), décrit un état unique de la matière où un trou noir croît à un rythme accéléré au sein d'une enveloppe hydrostatique massive. L'étude a révélé que la superposition médiane après soustraction de l'hôte de ces LRD présente un saut de Balmer plus de deux fois plus fort que ceux trouvés dans les galaxies quiescentes massives. Cette caractéristique spécifique est une « signature distinctive » des enveloppes de gaz denses, plutôt que de la lumière d'étoiles anciennes, indiquant que le trou noir est le principal moteur de la lumière observée.
Selon les conclusions de Brammer, Natarajan, et Tacchella, ces étoiles à trou noir sont incroyablement lumineuses, avec une luminosité bolométrique de $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43,9$ erg s$^{-1}$ et un rayon effectif d'environ 1 300 au. L'étude indique que dans un LRD typique, l'étoile à trou noir représente :
- Environ 20 % de l'émission ultraviolette (UV).
- Environ 50 % de la lumière au niveau du saut de Balmer.
- Près de 90 % de la lumière à des longueurs d'onde supérieures à H$\alpha$.
Comment un trou noir se développe-t-il à l'intérieur d'une enveloppe de gaz ?
Un trou noir se développe à l'intérieur d'une enveloppe de gaz en accrétant de la masse à des taux qui dépassent la limite standard d'Eddington, tandis que le gaz environnant piège le rayonnement résultant. Cela crée un cocon dense et sous pression où l'attraction gravitationnelle vers l'intérieur est équilibrée par la pression vers l'extérieur de l'énergie du trou noir, ce qui donne une structure stable mais transitoire de type « étoile ».
Les données spectroscopiques soutiennent ce modèle de croissance « enveloppée » par l'observation d'un décrément de Balmer prononcé ($H\alpha/H\beta > 10$). Un tel ratio suggère un environnement hautement obscurci et dense, où la poussière et le gaz rougissent considérablement la lumière s'échappant de l'intérieur. De plus, l'équipe a détecté de nombreuses caractéristiques sensibles à la densité, notamment des raies d'émission de FeII, HeI, et OI, qui sont rarement observées dans les galaxies standard mais sont caractéristiques des nuages de gaz à haute densité entourant une source d'énergie puissante.
La recherche postule que ces étoiles à trou noir résident préférentiellement dans des galaxies de faible masse ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) ayant récemment subi d'intenses sursauts de formation d'étoiles. La présence de largeurs équivalentes de raies d'émission extrêmes — comme [OIII] 5008Å à 1100Å et CIII] à 12Å — suggère un lien étroit entre la formation rapide d'étoiles et la naissance de ces semences de trous noirs massifs. Cet environnement fournit le réservoir de gaz nécessaire pour maintenir l'enveloppe pendant l'expansion initiale du trou noir.
Implications pour la croissance précoce des trous noirs supermassifs
La découverte de la phase d'étoile à trou noir a de profondes implications sur la rapidité avec laquelle les premiers trous noirs supermassifs de l'univers se sont formés. Les modèles d'accrétion standard peinent souvent à expliquer comment les trous noirs ont atteint des milliards de masses solaires au cours du premier milliard d'années de l'histoire cosmique. Cependant, le mécanisme de l'étoile à trou noir permet une croissance rapide « super-Eddington » alors que l'objet reste obscurci, effectivement caché de la vue jusqu'à ce que l'enveloppe finisse par se dissiper.
Les chercheurs estiment que ces objets ont un cycle d'activité (duty cycle) relativement court d'environ 1 %, ce qui implique une durée de vie d'environ 10 millions d'années. Malgré ce caractère transitoire, les données suggèrent que les étoiles à trou noir sont si courantes dans l'univers primitif que presque chaque trou noir massif observé aujourd'hui pourrait être passé un jour par cette phase de « Little Red Dot ». Cela suggère que les LRD ne sont pas une impasse évolutive, mais plutôt une « poussée de croissance » universelle pour les trous noirs.
Pour l'avenir, les prochaines observations du James Webb Space Telescope se concentreront probablement sur les « AGN à raies larges bleues », dont les chercheurs pensent qu'ils pourraient constituer la phase qui suit l'étoile à trou noir une fois que l'enveloppe de gaz dense commence à se dissiper. En étudiant la transition des « points » enveloppés de gaz aux quasars lumineux et démasqués, les astronomes espèrent cartographier l'ensemble du cycle de vie des habitants les plus massifs de l'univers, de l'aube cosmique à nos jours.
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