Publié le 30 novembre 2025 09:20:00. Des points rouges énigmatiques, détectés grâce au télescope spatial James Webb (JWST), défient les théories actuelles sur la formation des galaxies et pourraient révéler un nouveau type d’objet céleste, les « étoiles de trous noirs ». Ces découvertes, issues d’une analyse approfondie des données du JWST, ouvrent une nouvelle fenêtre sur l’univers primitif.
- Le télescope spatial James Webb a révélé une population inattendue de petits points rouges très lointains, invisibles pour son prédécesseur, Hubble.
- Ces objets, situés à environ 12 milliards d’années-lumière, pourraient être des galaxies extrêmement denses ou des noyaux galactiques actifs, mais leurs caractéristiques spectrales ne correspondent à aucun modèle connu.
- Une nouvelle théorie, celle des « étoiles de trous noirs » (BH*), propose un mécanisme original pour expliquer leurs propriétés, impliquant un trou noir supermassif entouré d’une épaisse couche de gaz.
L’été 2022 a marqué un tournant pour l’astronomie. Quelques semaines après les premières images scientifiques du télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes ont observé un motif surprenant : de minuscules points rouges dispersés dans les nouvelles observations. La sensibilité exceptionnelle du JWST permettait de distinguer ces objets extrêmement denses et lumineux, bien plus nombreux que prévu. Ces observations suggèrent l’existence d’une population jusqu’alors inconnue de sources célestes lointaines, que le télescope spatial Hubble n’avait pas pu détecter.
Cette limitation est logique. En astronomie, qualifier un objet de « très rouge » signifie qu’il émet principalement de la lumière à de grandes longueurs d’onde. La lumière émise par ces points rouges se situe pour la plupart au-delà de 10 millionièmes de mètre, dans le domaine de l’infrarouge moyen. Hubble n’est pas équipé pour observer ces longueurs d’onde, tandis que le JWST a été spécialement conçu pour cela.
Les données de suivi ont confirmé que ces objets sont extrêmement distants. La lumière que nous observons a mis près de 12 milliards d’années pour nous parvenir. En regardant dans l’espace, c’est donc regarder dans le passé : nous voyons ces objets tels qu’ils étaient il y a 12 milliards d’années, soit environ 1,8 milliard d’années après le Big Bang.
Initialement, les premières théories suggéraient qu’il s’agissait de jeunes galaxies massives. Pour interpréter les observations astronomiques, les chercheurs s’appuient sur des modèles décrivant l’apparence des différents types d’objets. Ils peuvent identifier une étoile avec certitude parce qu’ils connaissent sa structure (une sphère géante de plasma maintenue par la gravité, produisant de l’énergie par fusion nucléaire) et son spectre lumineux. Lorsqu’un objet correspond à ces caractéristiques, il peut être classifié de manière fiable.
Or, ces points rouges ne correspondaient à aucune catégorie connue. Les astronomes ont donc exploré des explications plus audacieuses. Une première hypothèse suggérait qu’il s’agissait de galaxies inhabituellement denses, remplies d’un grand nombre d’étoiles, et apparaissant rougeâtres en raison de couches épaisses de poussière. Pour se faire une idée de cette densité, on pourrait imaginer placer notre système solaire dans un cube d’une année-lumière de côté. Dans notre région de l’espace, ce cube ne contiendrait que le Soleil. Dans la galaxie proposée, il en contiendrait des centaines de milliers.
Seul le noyau central de notre Voie lactée présente une densité d’étoiles comparable, mais il contient encore seulement quelques millièmes du nombre d’étoiles requis par ce modèle. Si ces galaxies contenaient des centaines de milliards de masses solaires d’étoiles moins d’un milliard d’années après le Big Bang, cela remettrait en question les théories fondamentales sur la formation des galaxies. Selon Bingjie Wang (Université d’État de Pennsylvanie),
« Le ciel nocturne d’une telle galaxie serait extrêmement brillant. Si cette explication est vraie, cela signifierait que les étoiles se sont formées selon des processus extraordinaires qui n’ont jamais été observés auparavant. »
Une controverse a rapidement éclaté. Certains chercheurs soutenaient l’hypothèse de galaxies poussiéreuses riches en étoiles, tandis que d’autres pensaient que ces points rouges étaient des noyaux galactiques actifs obscurcis par de grandes quantités de poussière. Les noyaux galactiques actifs se forment lorsque la matière s’enroule autour du trou noir au centre d’une galaxie, formant un disque d’accrétion très chaud. Cependant, cette explication présentait des difficultés : le spectre des points rouges était très différent de celui des noyaux actifs galactiques rougis par la poussière. De plus, ce scénario nécessitait des trous noirs supermassifs beaucoup plus massifs que prévu, compte tenu du nombre de points rouges détectés par le JWST.
Malgré leurs désaccords, les astronomes étaient d’accord sur une chose : pour résoudre le mystère, ils avaient besoin de plus de données. Les premières images du JWST étaient prometteuses, mais la compréhension de la physique nécessitait des spectres, qui révèlent la quantité de lumière émise par un objet à différentes longueurs d’onde. Ces observations étaient difficiles à obtenir en raison de la forte demande pour le temps d’observation sur les principaux télescopes. Dès que l’importance des points rouges est devenue évidente, de nombreux groupes ont demandé du temps pour les observer. L’un de ces projets, intitulé Ruby (“Red Unknowns: The Bright Infrared Extragalactic Survey”), dirigé par Anna de Graaf de l’Institut Max Planck d’astronomie, a été retenu.
Entre janvier et décembre 2024, l’équipe RUBIES a utilisé près de 60 heures d’observation avec le JWST pour collecter les spectres de 4 500 galaxies lointaines, créant ainsi l’un des plus grands ensembles de données spectrales du JWST à ce jour. Raphael Hviding (MPIA) a déclaré :
« Dans cet ensemble de données, nous avons découvert 35 petits points rouges. La plupart d’entre eux avaient été identifiés grâce aux images publiques du JWST, mais les nouveaux points rouges sont les objets les plus extrêmes et les plus fascinants. »
La découverte la plus marquante a eu lieu en juillet 2024 : un exemple particulièrement lointain, baptisé « Cliff », dont la lumière a mis 11,9 milliards d’années pour nous parvenir (décalage vers le rouge z=3,55). Ses propriétés suggèrent qu’il représente une version particulièrement prononcée du groupe des petits points rouges, ce qui en fait un objet clé pour tester toute théorie à leur sujet.
« Cliff » doit son nom à une caractéristique spectrale particulière : une forte augmentation dans la région ultraviolette du spectre, qui a été étendue à une longueur d’onde plus longue (proche infrarouge) en raison de l’expansion de l’univers (un phénomène appelé décalage cosmologique). Cette augmentation soudaine est connue sous le nom de « rupture de Balmer ». Les ruptures de Balmer se produisent dans les galaxies normales, en particulier celles qui ne produisent pas de nouvelles étoiles, mais elles sont beaucoup plus faibles que celle observée dans « Cliff ».
L’équipe de DeGraaf a testé divers modèles de galaxies et d’AGN (Active Galactic Nuclei) basés sur le spectre de l’objet, essayant de reproduire ses caractéristiques. Tous les modèles ont échoué.
« Les propriétés extrêmes de Cliff nous ont obligés à repartir de zéro et à créer des modèles entièrement nouveaux »,
a déclaré Anna de Graaff.
Une étude menée en septembre 2024 par des chercheurs chinois et britanniques suggérait que certaines des caractéristiques de la rupture de Balmer pourraient provenir de sources non stellaires. L’équipe de DeGraaf a exploré une idée similaire : les ruptures de Balmer peuvent apparaître dans le spectre de jeunes étoiles simples, très chaudes, ou dans des galaxies contenant de nombreuses étoiles de ce type. Étonnamment, le spectre de « Cliff » ressemble davantage à celui d’une étoile très chaude qu’à celui d’une galaxie entière.
Sur la base de cette observation, DeGraaf et ses collaborateurs ont proposé un nouveau concept qu’ils appellent « étoiles de trous noirs » (BH*). Dans ce modèle, le moteur central est un noyau galactique actif avec un trou noir supermassif, mais au lieu de poussière, l’ensemble du système est enveloppé d’une épaisse couche d’hydrogène gazeux qui rougit la lumière émise. Les objets BH* ne sont pas de vraies étoiles car ils ne produisent pas d’énergie par fusion nucléaire. Le gaz qui les entoure est également plus turbulent que dans l’atmosphère d’une étoile normale. Cependant, les conditions physiques de base sont similaires : les noyaux galactiques actifs chauffent l’environnement gazeux, tout comme la fusion chauffe les couches externes des étoiles, créant une apparence similaire.
Ce modèle est une première preuve de concept. Il ne correspond pas encore parfaitement aux données, mais il reproduit les caractéristiques observées avec plus de succès que tout autre modèle précédent. L’augmentation spectrale, qui a inspiré le nom de « Cliff », pourrait s’expliquer par l’enveloppe de gaz dense et turbulente entourant le noyau galactique actif. Si cette interprétation est correcte, « Cliff » représenterait une situation extrême où l’étoile du trou noir central domine, tandis que les autres points rouges présenteraient un mélange différent de lumière BH* et de lumière provenant des étoiles et du gaz environnants.
Si les objets BH* sont réels, ils pourraient aider à résoudre une autre énigme : la croissance rapide des premiers trous noirs. Des études théoriques suggèrent que cette structure entourée de gaz pourrait avoir permis aux trous noirs de se développer rapidement dans l’univers primitif. Si les BH* peuvent effectivement se développer comme des étoiles supermassives de trous noirs, cela pourrait fournir un nouveau mécanisme expliquant cette croissance rapide et avoir un impact considérable sur les modèles d’évolution des premières galaxies.
Bien que les perspectives soient prometteuses, la prudence est de mise. Les résultats sont récents et suivent la procédure standard de publication scientifique après acceptation dans une revue à comité de lecture. L’acceptation généralisée de ces idées dépendra de la collecte de preuves supplémentaires dans les années à venir.
Ces nouvelles découvertes marquent une avancée majeure, fournissant le premier modèle capable d’expliquer la rupture extrême de Balmer dans « Cliff ». Elles soulèvent également de nouvelles questions : comment un tel trou noir stellaire s’est-il formé ? Qu’est-ce qui permet à son manteau de gaz inhabituel de persister si longtemps (étant donné que le trou noir consomme du gaz et doit être reconstitué d’une manière ou d’une autre) ? Comment apparaissent les autres caractéristiques spectrales de « Cliff » ?
Pour répondre à ces questions, une modélisation théorique et des observations plus approfondies sont nécessaires. L’équipe de DeGraff prévoit déjà des observations de suivi avec le JWST l’année prochaine, ciblant « Cliff » et d’autres points rouges présentant un intérêt particulier. Ces futures études permettront de déterminer si les étoiles de trous noirs ont joué un rôle dans la formation des premières galaxies. C’est une possibilité fascinante, mais qui reste à confirmer.
Contexte et recherche
Les travaux décrits ici par A. de Graaff et al. ont été acceptés pour publication dans Astronomy & Astrophysics sous le titre « A remarkable ruby: dense gas absorption, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of the red dot at z = 3.5 ». Raphael Hviding présente dans un article complémentaire les résultats de l’étude plus large des points rouges de l’enquête RUBIES, publiés dans la même revue sous le titre « RUBIES: Census of the red dot spectra – All continuous V-shaped views have a broad line ».
Les chercheurs impliqués dans l’étude comprennent Anna de Graaff, Hans-Walter Rix et Raphael E. Hviding de l’Institut Max Planck d’astronomie, ainsi que Gabe Brammer (Center for Cosmic Dawn), Jenny Greene (Université de Princeton), Ivo Labbe (Université de Swinburne), Rohan Naidu (MIT), Bingjie Wang (Université d’État de Pennsylvanie et Université de Princeton) et d’autres collaborateurs.
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