Des astrophysiciens pensent avoir repéré des "étoiles noires" pour la première fois
De potentielles étoiles noires ont été repérées dans les régions les plus reculées de l’univers jamais observées. Ces structures influencées par la matière noire seraient les plus anciens témoins des origines de notre univers.
Vue d'artiste de la répartition du fond micro-onde cosmique (16/01/2019).
Une étude parue dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), présente trois corps célestes lointains qui pourraient bien être des « étoiles noires ». Ces candidats pourraient jouer un rôle clef dans l'étude de la matière noire, cette entité invisible qui compose une grande partie de notre univers, et dont nous ignorons la véritable importance.
En 2007, l’astrophysicienne Katherine Freese de l’Université du Texas, et ses collègues Douglas Spolyar de l’Université de Stockholm et Paolo Gondolo de l’Université de l'Utah, tous trois spécialistes de l’étude de la matière noire, sont partis du constat que les premières étoiles de l’univers s’étaient formées dans des environnements chargés de très grandes densités de matière noire, à une époque où ces proportions étaient un trillion de fois supérieures aux densités actuelles, et que les éléments chimiques d'aujourd’hui, excepté l'hydrogène et l'hélium issus du Bigbang, n'existaient pas encore. « Tous ces éléments ne se sont formés que dans des générations d’étoiles beaucoup plus tardives », ajoute Katherine Freese.
« Les premières étoiles étaient une piste intéressante à suivre », explique Katherine Freese. C’est en cherchant à comprendre la formation des premières étoiles de l’univers, potentiellement régie par la matière noire, que les scientifiques ont réalisé que les objets lumineux les plus lointains de notre univers n’étaient pas nécessairement des galaxies, mais pouvaient être des étoiles noires.
GALAXIES OU ÉTOILES NOIRES ?
« Laissez-moi vous donner une petite idée de l’univers », invite Katherine Freese. « Le monde matériel que nous connaissons est constitué d’atomes. Ce type de matière ne représente que 5 % de l’univers. […] Ce qui signifie que les 95 % restants sont constitués d’une entité sombre et inconnue », précisément 25 % de matière noire et 70 % d’énergie noire. Les galaxies sont majoritairement composées de matière noire. Aux premiers temps de l’univers, cette matière noire était concentrée sous forme de grandes régions sphériques appelées « halos ».
Principalement constitués de matière noire, ils forment les premières protogalaxies, qui comportent une région centrale constituée de nuages d'hydrogène dont la taille est minuscule par rapport à l'ensemble du mini halo. Ces nuages d’hydrogène ont commencé à s’effondrer pour créer les premières étoiles, jusqu’à ce que la matière noire interrompe leur effondrement et les transforme en étoiles noires. « C’est la matière noire qui est à l’origine des premières galaxies et qui a permis à la matière ordinaire de s’y loger », ajoute Freese. « Elle contrôle la gravité de l’univers ».
Pour Katherine Freese, les télescopes sont « des machines à remonter le temps ». La lumière perçue depuis la Terre met plus ou moins longtemps à nous parvenir selon son point de source. Par exemple, les rayons du Soleil mettent 8 minutes à nous parvenir. Les lumières stellaires parcourant les plus grandes distances avant de nous parvenir contiennent d’innombrables informations sur les premiers temps de l’univers. « Car plus on regarde loin dans l’univers, plus on remonte le temps » souligne Katherine Freese. L’un des objectifs du télescope spatial James Webb, mis en orbite fin 2021, est justement de tenter de percer le mystère des origines des toutes premières étoiles et galaxies.
« En 2010, nous avons estimé que [des étoiles noires] pourraient être trouvées par le télescope James Webb », explique Cosmin Ilie, professeur d’astrophysique à l’université Colgate de New York, et corédacteur de la récente étude sur les étoiles noires. « Puis, quand les données ont été disponibles, nous avons commencé à envisager des stratégies pour identifier des candidats potentiels ». Les chercheurs se sont alors basés sur la taille théorique estimée d’une étoile noire, entre 10 à 12 unités astronomiques (UA), soit 10 à 12 fois la distance Terre-Soleil. Ce point devait être ensuite confirmé par étude spectroscopique, permettant d'obtenir une signature lumineuse des objets célestes observés.
Vue d'artiste du télescope spatial James Webb dont la mission est de sonder les origines de l'univers. Son gigantesque bouclier thermique pliable bloque les rayons du Soleil, de la Terre et de la Lune, pour maintenir les instruments à -223 °C.
Les instruments NIRSpec et MIRI de Webb effectuent des observations spectroscopiques de cibles étendues et complexes (telles que des galaxies, des nébuleuses ou des champs encombrés d’étoiles ou de galaxies) en une seule prise. La technologie qu’ils utilisent est celle des « unités de champ intégrales » (IFU), une technique de découpage d’image pour réorganiser le signal d’une image bi-dimensionnelle du ciel en un ensemble de tranches. Ces tranches sont transmises à un spectrographe qui génère un spectre pour chaque pixel, ensuite disposés dans un cube de données. Ce cube est une pile de nombreuses images de la même cible, chacune à une longueur d’onde différente, et fournit un aperçu complet de l’ensemble de l’objet étudié.
En décembre 2022, Emma Curtis-Lake, Brant Robertson et leurs collègues astrophysiciens ont repéré grâce aux données du télescope James Webb les quatre objets célestes les plus lointains jamais observés à ce jour, et d’une taille supérieure à 10 unités astronomiques confirmée par spectroscopie. Ces éléments sont très lumineux et particulièrement massifs, pour pouvoir être perçus à de telles distances. La lumière perçue a en effet été produite à une distance de 33 milliards d’années lumières de la Terre. Les scientifiques pensaient alors avoir découvert des galaxies primitives, qui se seraient formées 300 millions d’années après le Big Bang, ce qui correspond à 2 % de l’âge de l’univers.
Mais s’agit-il vraiment de galaxies ? La récente publication part d’un constat : certaines entités de l’univers, comme des mini-halos, concentrent des quantités importantes de matière noire. « Or, c’est exactement là que les premières étoiles se sont formées », soulève Katherine Freese. Alors quel rôle pourrait jouer cette matière noire ?
« Avant d’appeler une galaxie une galaxie, il faut des analyses spectroscopiques de suffisamment bonne qualité, car il pourrait tout aussi bien s’agir d’étoiles noires », interpelle Cosmin Ilie. Les données spectroscopiques émises par les objets célestes super massifs étudiés ont ensuite étés comparées au rayonnement de galaxies, d’étoiles, et enfin d'étoiles noires. Les chercheurs se sont alors rendu compte que pour trois d’entre eux, il y avait une « correspondance spectroscopique avec la colorimétrie d’une étoile noire ».
LES PREMIÈRES ÉTOILES DE L’UNIVERS
Avant de s’intéresser au fonctionnement et aux particularités de ces étoiles noires, sans doute est-il nécessaire de comprendre les forces qui régissent la création des étoiles comme notre Soleil. Une étoile se forme « via l’effondrement gravitationnel d’un nuage de gaz lors de son refroidissement », explique Cosmin Ilie. « Mais à un certain point, l’activité thermique qui s’y produit empêche l’effondrement ». Katherine Freese précise qu’une étoile satisfait les « quatre équations de la structure stellaire ». Parmi ces quatre équations, la pression thermique et l’effondrement gravitationnel engendrent en son cœur une réaction physique appelée fusion nucléaire. Cette réaction libère de grandes quantités d'énergie sous forme de lumière et de chaleur.
« La fusion nucléaire se produit avec de très fortes températures et densités de nucléons », explique Cosmin Ilie. Ces nucléons sont la résultante de collisions de deux protons. À force de s’entrechoquer, ces particules, chargées positivement, finissent par franchir leurs membranes électriques externes respectives, appelées barrières coulombiennes, avant de fusionner. Or, dans le cas des premières étoiles de l’univers, les étoiles noires, quelque chose vient empêcher la fusion nucléaire. Et ce quelque chose, c'est la matière noire.
Les particules de cette entité théorique remplacent l’action de fusion nucléaire, ce qui leur permet d’atteindre des dimensions et des luminosités inimaginables. « Dans le cas des étoiles noires », explique Cosmin Ilie, « la matière noire empêche l’effondrement suffisamment tôt, [en injectant de l’énergie dans l’amas gazeux] pour qu’il n’atteigne jamais la température de fusion nucléaire », qui se situe à environ 200 millions de degrés Celsius. Chargées de matière noire, les étoiles noires restent relativement froides en surface, « ce qui permet à plus de matière de s’y intégrer, ce qui fait grandir l’étoile » dans des proportions démesurées, ajoute Freese.
« Les gens pensent qu’on les qualifient d’étoiles noires car elles seraient constituées de matière noire. C’est faux », interpelle Katherine Freese. « Elles sont majoritairement composées d’hydrogène et d’hélium ». La matière noire quant à elle, est la clef qui permet de faire fonctionner ces objets célestes dont ils ont hérité le nom, bien qu’ils soient aussi lumineux que des galaxies. Froides et très peu lumineuses au moment de leur naissance, les étoiles noires ont été les premières à consteller l’univers, 200 millions d’années après sa formation. Avec l’action d’annihilation des particules de matière noire, comme les WIMPs, des particules massives à faible interaction, ces étoiles impressionnantes finissent par atteindre une masse d’un million de soleils, et une luminosité équivalente à un milliard.
Ces objets célestes ont été dans un premier temps, en décembre 2022, identifiés comme des galaxies par le JWST Advanced Deep Extra Galactic Survey (JADES). Aujourd’hui, une équipe de chercheurs propose que trois d'entre eux, JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0, et JADES-GS-z11-0, soient des étoiles noires, objets théoriques composés de matière noire, bien plus grands et lumineux qu'une étoile classique.
Il y a deux raisons qui peuvent expliquer une telle luminosité, encore jamais vue chez une étoile. D’une part, il semble que la matière noire soit « plus efficace que la fusion nucléaire », explique Cosmin Ilie. Avec la fusion nucléaire, l’efficacité de la conversion de la masse en énergie est inférieure à 1 %. Tandis que l’action de la matière noire produit une conversion efficace à près de 100 %. Le deuxième facteur qui entre en jeu est que ces étoiles sont théoriquement gigantesques, et mesureraient possiblement 1,5 milliard de kilomètres de diamètre. En comparaison, le diamètre de notre Soleil mesure 1,4 million de kilomètres. « Mais la taille des trois objets observés reste inconnue », précise Katherine Freese.
Nous ignorons tout de la composition de la matière noire. « Nous n’avons aucune véritable idée de ce dont il s’agit réellement ». Les trois candidats retenus peuvent aussi bien être des galaxies que des étoiles noires. Les deux astrophysiciens ajoutent que la recherche de nouveaux candidats à l'aide du télescope spatial James Webb, afin de « déterminer la taille réelle des objets permettrait d'identifier précisément s’il s’agit de galaxies ou d'étoiles noires ». Par extension, confirmer l’existence d’étoiles noires, validerait l’existence de la matière noire.
