Dans une première, la Télescope spatial James Webb (JWST) a peut-être entrevu un type d’étoile rare dont les astronomes ne sont même pas sûrs qu’il existe. Ces objets stellaires, appelés “étoiles noires”, n’ont peut-être pas été alimentés non pas par la fusion nucléaire, mais par l’auto-annihilation de matière noire— la substance invisible qui, pense-t-on, constitue environ 85 % de la matière de l’univers. Les étoiles candidates vues par JWST auront besoin de plus de preuves pour être confirmées, mais si elles sont réelles, la découverte pourrait changer notre histoire sur la formation des premières étoiles.
Contrairement à leur nom, les étoiles noires auraient généralement pu briller un milliard de fois plus lumineusement que le soleil et atteindre un million de fois sa masse. Les étoiles noires n’ont jamais été définitivement observées, mais les simulations cosmologiques suggèrent qu’elles auraient dû se former bientôt après le big bang des nuages d’hydrogène pur et d’hélium qui se sont effondrés au centre de protogalaxies riches en matière noire.
Maintenant, les chercheurs rapportent dans le Actes de l’Académie nationale des sciences des États-Unis qu’au moins trois objets lointains observés par le JWST et précédemment identifiés comme des galaxies pourraient, en fait, être chacun des étoiles noires supermassives uniques. “Si vous trouvez un nouveau type d’étoile, c’est énorme”, déclare Katherine Freese, co-auteur de l’étude et astrophysicienne à l’Université du Texas à Austin.
Les chercheurs ne peuvent pas encore prouver que les objets sont des étoiles noires, seulement que leurs caractéristiques correspondent à des étoiles noires ou à des galaxies peuplées d’étoiles à fusion régulières. Cependant, la technologie de JWST est suffisante pour faire ce travail, déclare le co-auteur de l’étude, Cosmin Ilie, astrophysicien à l’Université Colgate. Tout ce dont les chercheurs ont besoin, c’est de plus de temps d’observation. “Nous espérons que nous allons trouver l’une de ces étoiles noires avec le Webb au cours de sa vie”, déclare Ilie.
Il existe deux possibilités quant à la formation des premières étoiles de l’univers. La sagesse conventionnelle est que ces premières étoiles étaient des étoiles de la “Population III”. De telles étoiles auraient été alimentées par la fusion nucléairecomme les étoiles aujourd’hui, mais elles auraient eu très peu ou pas de métaux en elles – en astronomie, cela signifie des éléments plus lourds que l’hélium – parce que ces éléments ne s’étaient pas encore formés dans l’univers primitif.
Il y a une autre possibilité, cependant. En 2008, Freese et certains de ses collègues ont proposé que le premières étoiles de l’univers aurait pu être alimenté par la matière noire. La matière noire est une forme mystérieuse de matière qui n’interagit pas avec les forces électromagnétiques ; les scientifiques ne savent qu’il existe qu’en raison de ses effets gravitationnels, et ils ne savent pas de quoi il est fait.
Dans l’univers primitif, des étoiles noires auraient pu se former à partir de l’effondrement des nuages d’hélium et d’hydrogène créés lors du big bang. Si les particules de matière noire sont aussi leurs propres antiparticules, comme le postulent de nombreuses théories sur la matière noire, alors dans ces nuages qui s’effondrent, ces particules seraient entrées en collision les unes avec les autres et se seraient auto-anéanties. La collision aurait déclenché une chaîne de désintégration de particules qui s’est terminée par la production de photons, de paires électron-positon et de neutrinos. Seuls les neutrinos auraient vraiment quitté le nuage, car ils n’interagissent que très peu avec la matière. Les autres particules auraient heurté l’hydrogène et l’hélium et transféré leur énergie à cette matière, ce qui aurait chauffé le nuage et alimenté la formation et la croissance continue de l’étoile.
Ces étoiles se seraient formées au centre de “minihaloes”, qui étaient les premières protogalaxies qui existaient 200 millions d’années après le Big Bang avant l’avènement d’éléments plus lourds que l’hélium et l’hydrogène. Ces minihalos étaient presque entièrement constitués de matière noire, créant des conditions propices à l’alimentation des étoiles noires. Cette forte concentration de matière noire est la raison pour laquelle les étoiles noires ne pouvaient se former que dans l’univers primitif, explique Freese.
Parce que les étoiles auraient été relativement froides et n’auraient pas émis les photons à haute énergie que font les étoiles à fusion nucléaire, elles auraient pu continuer à ajouter de la masse, les faisant gonfler de plus en plus au cours de leur vie.
“Maintenant, vous avez quelque chose de bizarre”, dit Freese. « Il ressemble au soleil en termes de température de surface, mais il est un milliard de fois plus lumineux. Il pourrait être aussi brillant qu’une galaxie entière d’étoiles alimentées par la fusion.
À la fin de leur durée de vie, les grandes étoiles noires se seraient effondrées en trous noirs massifs. Cela pourrait être une explication potentielle de certains des anciens trous noirs supermassifs observés dans l’univers, qui semblent trop grands pour s’être formés si rapidement à partir d’étoiles de la population III alimentées par fusion, dit Ilie.
Pour rechercher des étoiles noires, Freese, Ilie et l’étudiante de premier cycle Jillian Paulin ont fouillé le catalogue d’objets que le JWST a identifié comme étant de l’univers primitif, ou d’il y a près de 14 milliards d’années. Seuls neuf de ces objets avaient suffisamment de données sur leurs émissions électromagnétiques pour être utiles à l’étude. Sur ces neuf, trois correspondaient bien à ce à quoi ressemblerait une étoile noire. Ces objets avaient un décalage vers le rouge élevé, ce qui signifie qu’ils émettaient de la lumière biaisée vers le côté rouge du spectre électromagnétique, ce qui est un signe d’objets anciens et distants. Ils provenaient peut-être également d’une source ponctuelle unique, telle qu’une étoile, plutôt que d’une galaxie floue, explique Paulin, qui commencera ses études supérieures à l’Université de Pennsylvanie à l’automne.
Les chercheurs ne peuvent pas dire grand-chose d’autre sur les objets pour le moment car ils n’en ont que des observations limitées. Le « pistolet fumant » pour une étoile noire serait un hoquet particulier dans le spectre électromagnétique où la lumière est absorbée par un isotope particulier de l’hélium uniquement dans les étoiles noires, pas dans les galaxies. Trouver ce hoquet prendrait plusieurs mois à observer ces objets uniques, dit Ilie, ce qui est irréaliste étant donné le nombre de chercheurs qui utilisent le JWST pour résoudre un éventail de problèmes d’astrophysique. L’équipe peut dire, cependant, que si les objets sont des étoiles sombres, deux d’entre eux auraient environ un million de fois la masse du soleil, et un aurait environ 500 000 fois la masse du soleil.
L’équipe de recherche développe actuellement une méthode automatisée pour rechercher davantage d’étoiles noires candidates, dont certaines pourraient nécessiter moins de temps d’observation pour être confirmées. « Je m’attends à ce qu’il y ait beaucoup plus de candidats », dit Paulin.
Observer une étoile noire directement serait incroyable, dit Pearl Sandick, physicienne théorique des particules à l’Université de l’Utah qui n’a pas participé à l’étude. Il existe cependant d’autres moyens de rechercher des étoiles noires, par exemple via leurs signatures dans le fond cosmique des micro-ondes – la faible lueur de rayonnement laissée par l’époque où notre univers était chaud et jeune. Selon Sandick, la découverte d’une étoile noire offrirait non seulement un nouveau regard sur la formation précoce de l’univers, mais serait également une occasion unique d’observer directement les interactions avec la matière noire. “Observer cela”, dit-elle, “apporterait vraiment de nouvelles informations sur la nature de la matière noire en tant que particule.”
