Le mystère des "petits points rouges" découverts par le télescope James Webb

En décembre 2021, alors que la NASA choisit le jour de Noël pour lancer le télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes attendent impatiemment au pied de l'arbre des révélations sur les premières galaxies de notre univers.

Parmi ces premiers éclats de galaxies, Ivo Labbé de la Swinburne University of Technology en Australie et ses collègues ont fait une découverte totalement inattendue : 13 taches rouges étincelantes. Après avoir utilisé la luminosité pour estimer leur masse et la couleur pour calculer leur distance avec la Terre, et donc leur âge, les chercheurs ont abouti à une seconde surprise : six de ces taches étaient presque aussi massives que notre galaxie, la Voie lactée, mais existaient déjà au cours des 600 à 700 premiers millions d'années de l'univers. La présence de telles galaxies pendant le premier milliard d'années de l'univers n'aurait aucun sens à l'égard des théories établies à ce jour sur la formation et l'évolution des galaxies, c'est pourquoi les astronomes ont surnommé ces points rouges des « briseurs d'univers ».  

Cependant, ces titans étaient bien trop imposants par rapport aux galaxies attendues par les chercheurs pour que ces derniers se contentent de mettre un terme à leur investigation. Le mystère des petits points rouges était né. Malgré des débuts prolifiques au cours du premier milliard d'années de l'univers, ces objets ne semblaient correspondre à aucun modèle théorique ni aucune classe connue des astronomes.

« C'était assez déroutant », témoigne Bingjie Wang, astronome de Princeton et coauteur de la découverte aux côtés de Labbé. « L'histoire ne collait pas. »

Quatre ans plus tard, les astronomes ont identifié près d'un millier de petits points rouges, dont une vingtaine dans l'univers moderne, et les théories quant à leur nature se multiplient. Plus les astronomes en apprennent sur eux, plus ces petits points rouges semblent avoir joué un rôle fondamental dans l'évolution de l'univers et la croissance des divers objets qu'il renferme.

CASCADE DE THÉORIES

Labbé, Wang et leurs collègues ont découvert les petits points rouges dans des clichés du ciel de nuit capturés le 21 juin 2022. Ces clichés faisaient partie des premières données recueillies par le télescope spatial James Webb, alors que les scientifiques expérimentaient avec ses instruments pour exposer les capacités du télescope. Lorsque l'équipe publia ses résultats dans l'édition de février 2023 de la revue Nature, d'autres groupes d'astronomes avaient identifié de nouvelles taches rouges avec encore plus de détails.

« C'est grâce à ces articles en cascade que nous avons réalisé à quel point ces objets étaient répandus », déclare l'astronome Dale Kocevski du Colby College dans le Maine, aux États-Unis, qui observe et tente de comprendre ces mystérieuses masses rouges depuis 2022.

Pour comprendre ce que pourraient être les petits points rouges, en dehors de gigantesques galaxies, les scientifiques ont fait appel à la spectroscopie, une technique qui décompose la lumière en différentes longueurs d'ondes, ou couleurs. Cela permet aux astronomes d'évaluer l'intensité de chaque longueur d'onde au sein du spectre de la lumière afin de révéler la composition chimique de l'objet qui émet cette lumière.

La lumière parcourt également de longues distances qui ne cessent de s'allonger en raison de l'expansion de l'univers. Cette expansion fait glisser les couleurs vers le côté rouge du spectre de la lumière. Cependant, puisque les astronomes identifient un élément chimique par son motif spécifique de raies spectrales, ils peuvent continuer à identifier ce motif même s'il tire un peu plus vers le rouge. En analysant ces couleurs et leur degré de décalage vers le rouge, les astronomes peuvent déterminer la distance à laquelle se trouve un objet. Les scientifiques peuvent également utiliser ces raies décalées pour évaluer le mouvement des gaz à la source de la lumière. Cette dernière information s'est révélée cruciale pour l'étude des petits points rouges.

L'hydrogène est l'atome le plus répandu dans l'univers, mais à la place de la raie nette et étroite caractéristique de l'élément, la lumière des petits points rouges ne donnait à voir qu'une bande diffuse et anormalement large. Cette particularité est le fruit d'un déplacement incroyablement rapide, atteignant plusieurs milliers de kilomètres par seconde, indique Kocevski, dans un mouvement de va-et-vient par rapport à l’observateur. Ces raies floues, poursuit-il, évoquent « un objet terriblement massif autour duquel orbitent des gaz », comme un trou noir supermassif et la matière qui l'encercle.

Après avoir découvert cette raie d'hydrogène élargie, les astronomes ont troqué les galaxies de leur hypothèse initiale pour des trous noirs attirant activement la matière au centre des galaxies où ils ont vu le jour. À l’époque, les astronomes attribuaient la couleur rouge à une grande quantité de poussière qui aurait fait rougir la lumière en provenance du trou noir actif. Plus les données s’accumulaient autour de la question, plus leur analyse pointait dans une autre direction et les trous noirs actifs ont peu à peu cédé leur place à des objets encore plus troublants dans les théories des spécialistes.

Les trous noirs qui absorbent beaucoup de matière s'entourent d'un disque d'accrétion, qui se réchauffe et brille de mille feux sous l'effet des rayons X. Si les petits points rouges étaient de simples trous noirs actifs, ce rayonnement de haute intensité aurait été « visible ». Pourtant, un seul de ces objets apparaît dans les observations aux rayons X. Par ailleurs, les trous noirs actifs présentent d'ordinaire des variations de luminosité, en raison de points chauds, d'instabilités et d'éruptions dans le disque d'accrétion. « Les petits points rouges ne montrent globalement aucun signe de variation », souligne Jorryt Matthee, astronome au sein de l'Institute of Science and Technology Austria. Nous en avons donc déduit que ces objets n'étaient pas des trous noirs ordinaires, ajoute-t-il.

L'ÉMERGENCE DES QUASI-ÉTOILES

Lorsque les chercheurs ont observé une gamme plus large de couleurs dans les spectres émanant de ces points au lieu des détails d'une petite section de données, ils ont identifié des « formes particulières » dans le spectre lumineux, indique l'astronome Anna de Graaff de l'Institut Max-Planck d'astronomie à Heidelberg, en Allemagne. Cette forme particulière correspond à une chute dans l'intensité de la lumière suivie d'un rebond soudain.  

Habituellement, les astronomes observent cette forme spectrale dans les régions à forte densité de gaz, comme l'atmosphère gazeuse d'un certain type d'étoile chaude. À la lumière de ce nouvel indice, les chercheurs ont encore révisé leur hypothèse et pensent désormais que les petits points rouges posséderaient une source d'énergie, probablement un trou noir massif actif ou une étoile dix mille fois plus massive que notre Soleil, le tout enveloppé d'un nuage de gaz extrêmement dense. « Il s'agit d'une conclusion assez folle, mais c'est ce que nous disent les données », affirme de Graaff. L'hypothèse du trou noir au centre d'un cocon dense de gaz semblable à l'enveloppe atmosphérique d'une étoile, qui absorberait activement de la matière, a été baptisée « étoile trou noir » ou « quasi-étoile » et gagne depuis peu en popularité.

Il s'agit de la principale théorie à l'heure actuelle, mais alors que plus d'un millier de petits points rouges ont été découverts à ce jour, les astronomes commencent à réaliser qu'ils n'ont pas tous la même apparence. « Leur dénomination laisse entendre qu'ils ne forment qu'une seule classe d'objets », déclare Xiaohui Fan, spécialiste en cosmologie observationnelle à l'université de l'Arizona, « mais rien ne permet de l'affirmer. »

DES PETITS POINTS ROUGES BIEN DIFFÉRENTS

Les chercheurs ne cessent de découvrir des différences entre les petits points rouges connus à ce jour, des différences qui révèlent de possibles connexions avec les trous noirs. Par exemple, un petit point rouge solitaire des deux premiers milliards d'années de l'univers émet des rayons X.

Un autre se tient derrière un imposant amas de galaxies, dont la gravité déforme l'espace-temps et contraint la lumière du petit point rouge à fléchir. Les astronomes en reçoivent plusieurs images distinctes, ce qui indique que la lumière emprunte différents chemins, avec des temps de parcours variables. Ces chemins couvrent une période de 130 ans, ce qui permet aux scientifiques d'étudier les variations de luminosité du petit point rouge au fil du temps. Dans ce cas précis, il existe donc bel et bien une variation de luminosité, d'un facteur deux environ, indique Xiaohui Fan. En outre, ce n'est pas le seul petit point rouge qui présenterait des fluctuations de luminosité, ce qui montre que ces objets pourraient être plus proches des trous noirs que ne le suggéraient les premières observations.

Il est possible que certaines des différences observées entre les petits points rouges soient dues à leur angle d'observation depuis la Terre. D'après Roberto Maiolino, astronome à l'université de Cambridge, de telles différences pourraient apparaître si les gaz de l'enveloppe forment des poches de densité variable au lieu d'une coquille homogène. Ainsi, l'apparence du petit point rouge pourrait changer selon que notre ligne de vue traverse ou non l'une de ces poches.

Ce phénomène nous rappelle les trous noirs ordinaires, notamment ceux qui évoluent au plus proche de la Terre. Les astronomes distinguent plusieurs types de trous noirs dans l'univers moderne, dont les propriétés dépendent de l'orientation par rapport à la Terre et de la quantité de matière absorbée.

Les multiples similarités avec d'autres trous noirs actifs dans l'univers actuel indiquent que les petits points rouges pourraient être leurs précurseurs, dans une version antérieure à celle où les colosses de l'univers commencent à produire des rayons X plus détectables, ajoute Kocevski, qui cherche actuellement à démontrer que les petits points rouges seraient en fait les trous noirs à disque d'accrétion que nous observons de nos jours. Les astronomes voient dans ces petits points rouges un sous-type des trous noirs actuels à un âge plus jeune dans l'évolution de l'univers.  

Quoi qu'il en soit, reprend Matthee, ils n'ont pas disparu, ils ont juste évolué pour devenir autre chose. « C'est un peu comme les villages engloutis par une ville qui grandit. »

ZOOM SUR LES POINTS ROUGES VOISINS

Plus les astronomes accumuleront les images et les spectres de ces petits points rouges, plus ils en apprendront à leur sujet, notamment sur leur place dans l'actuel casting des acteurs cosmiques.

Les chercheurs ont également découvert une vingtaine d'objets semblables aux petits points rouges dans l'univers moderne, c'est-à-dire à moins de 2 milliards d'années-lumière. « À cette distance, nous pouvons bien mieux étudier les propriétés physiques de leur voisinage. Cela nous permettra peut-être de comprendre pourquoi ils existent », témoigne Xiaohui Fan.

Quatre ans après leur découverte, les astronomes ont écrit plus de 700 articles sur les petits points rouges. Leurs hypothèses ont évolué avec l'arrivée de nouvelles données, même si le sujet reste empreint de mystère.

Le télescope spatial James Webb a été conçu pour dénicher les premières galaxies, pour comprendre l'assemblage des structures fondatrices de l'univers. Cette partie était donc attendue, mais « on espère toujours secrètement trouver un élément jamais vu auparavant », reconnaît de Graaff. « Je pense que les petits points rouges ont très bien joué ce rôle. »