Le télescope Webb a photographié un « univers qui n'aurait pas dû exister » : des trous noirs incroyablement massifs, des galaxies étrangement brillantes, la théorie du Big Bang serait-elle fausse ?

Le télescope spatial James Webb (JWST) continue de capturer un univers primordial que la théorie ne peut expliquer : des trous noirs qui grandissent trop vite, des galaxies anciennes trop brillantes, et des centaines de mystérieux objets célestes jamais vus auparavant, les « petits points rouges ».
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Table des matières

Basculer

• Trous noirs de masse solaire un milliard de fois
• Galaxies non seulement trop rapides à se former, mais aussi anormalement brillantes
• Petits points rouges : des « étoiles à trou noir » enveloppées de gaz ?
• Les preuves s'affrontent, les théories sont pléthoriques

Ces dernières années, le télescope spatial James Webb (JWST) n'a cessé de remettre en cause les hypothèses les plus fondamentales de l'astrophysique : l'univers primordial qu'il observe ne correspond absolument pas aux théories existantes. Des trous noirs ayant atteint un milliard de masses solaires moins d'un milliard d'années après le Big Bang, des galaxies anciennes bien plus brillantes que les simulations ne le prévoyaient, et des centaines d'objets célestes mystérieux jamais observés avant le lancement du JWST en 2022, les « petits points rouges ».

Selon un reportage de Quanta Magazine basé sur des entretiens avec plusieurs astrophysiciens, cette perplexité suscite une vague de nouvelles théories tentant d'expliquer « l'univers impossible » révélé par le télescope spatial James Webb. Trois mystères s'entremêlent, et personne n'ose affirmer quelle interprétation sera la réponse finale.

Trous noirs de masse solaire un milliard de fois

L'astrophysicienne Jenny Greene de l'Université de Princeton a déclaré à Quanta Magazine qu'après le Big Bang, l'univers était initialement lisse et sans caractéristiques, et qu'en quelques centaines de millions d'années, « nous voyons déjà des trous noirs d'un milliard de masses solaires en croissance ». La taille d'un trou noir dépend de la taille de la graine et de sa vitesse de croissance ; mais l'effondrement des premières étoiles ne laisse au maximum qu'une graine d'environ 100 masses solaires. Pour atteindre un milliard de masses solaires tôt dans l'univers, « il faut les nourrir de force ».

On pensait autrefois que la croissance des trous noirs avait une limite supérieure (la limite d'Eddington), mais des simulations récentes montrent que si le disque d'accrétion se dilate d'une certaine manière, le gaz peut surmonter la pression de radiation, formant une « accrétion super-Eddington ». En 2024, le JWST a observé un trou noir datant d'environ 1,5 milliard d'années après le Big Bang, qui engloutit de la matière à environ 40 fois la limite d'Eddington.

Une autre théorie soutient que les plus grands trous noirs ne proviennent pas d'étoiles, mais de l'effondrement direct de nuages de gaz géants en graines d'environ 10 000 masses solaires. Greene déclare : « En simulation, on peut créer des trous noirs à effondrement direct, mais pas en assez grand nombre pour expliquer tous les trous noirs observés. »

Une étude récente apporte de nouvelles preuves en faveur de l'effondrement direct : un petit point rouge, datant d'environ 750 millions d'années après le Big Bang et amplifié par une lentille gravitationnelle, a été identifié comme un trou noir supermassif « nu », estimé à 50 millions de masses solaires, sans étoiles identifiables autour, ce qui suggère qu'il est né sous forme de graine géante avant toute galaxie.

Jenny Greene déclare : « Il existe manifestement des différences dans les modes de croissance des trous noirs que nous ne comprenons pas encore. »

Galaxies non seulement trop rapides à se former, mais aussi anormalement brillantes

Avant même que le mystère des trous noirs ne soit résolu, de nombreuses galaxies primitives découvertes par le JWST sont également « trop brillantes ». Rachel Somerville, scientifique à l'Institut Flatiron, a présenté en avril dernier, lors d'une conférence à Helsingør, au Danemark, sa simulation la plus récente : « Avant le redshift 15 (270 millions d'années), il ne se passait pas grand-chose ; au redshift 9 (550 millions d'années), nous créons une belle galaxie. » Mais le JWST a trouvé les galaxies les plus anciennes existant seulement 280 millions d'années après le Big Bang, bien avant le calendrier des simulations.

Les théoriciens proposent plusieurs explications : les galaxies primitives pourraient avoir converti le gaz en étoiles avec une plus grande efficacité, la formation d'étoiles pourrait se produire par bouffées intermittentes, et l'environnement primordial pourrait favoriser des étoiles extrêmement lumineuses. Somerville déclare avec un sourire amer : « Nous sommes presque passés du stade où nous ne pouvions pas expliquer le trop grand nombre de galaxies primitives à celui où nous avons trop de théories pour les expliquer. »

L'instrument MIRI a en outre révélé des différences considérables dans les propriétés des galaxies primitives. Hakim Atek de l'Université de la Sorbonne a déclaré à Quanta Magazine : « Certaines galaxies semblent avoir évacué tout leur gaz et leur poussière, ne laissant voir que des étoiles nues ; une autre est remplie de grandes quantités de gaz. »

Cela suggère que la formation d'étoiles pourrait se dérouler en cycles d'explosions successives, tandis qu'un autre groupe de galaxies à la teneur en azote anormalement élevée indique la présence de nombreuses étoiles particulièrement géantes dans l'univers primordial.

Petits points rouges : des « étoiles à trou noir » enveloppées de gaz ?

Parmi eux, les petits points rouges pourraient être le mystère le plus étrange.

Charlotte Mason, astrophysicienne au Cosmic Dawn Center de Copenhague, a l'habitude de comprendre les mystères de l'univers par le dessin. Son carnet de notes est récemment rempli de petits points rouges. Ces objets célestes commencent à apparaître en masse environ 650 millions d'années après le Big Bang et n'avaient jamais été observés auparavant.

La dernière idée est que les petits points rouges pourraient être des trous noirs enveloppés de gaz épais, représentant un nouveau type d'objet céleste, les « étoiles à trou noir », dont l'enveloppe gazeuse serrée brille comme l'atmosphère d'une étoile. Mason a analysé le spectre d'un petit point rouge ; en théorie, un nuage de gaz dense provoquerait certaines variations spécifiques dans la lumière, mais elle ne les a pas observées.

Elle confie à Quanta Magazine : « Que faire maintenant ? Recommencer. Si je transforme le gaz en blocs et que je perfore des trous autour du trou noir, je devrais obtenir un signal plus proche. »

Les preuves s'affrontent, les théories sont pléthoriques

Les trois mystères se heurtent, et les preuves sont en réalité contradictoires. Le trou noir de 2024, qui se gave à 40 fois la limite d'Eddington, soutient l'idée de « petites graines + accrétion super-Eddington » ; mais le trou noir « nu » de 50 millions de masses solaires soutient au contraire l'idée de « grandes graines + effondrement direct ».

Du côté des galaxies, la diversité observée par MIRI signifie également qu'aucun scénario unique ne peut s'appliquer à toutes les galaxies primitives. L'observation de Greene est peut-être la plus juste : les différences existent clairement, il n'y a pas de réponse standard unique.

La bonne nouvelle est que les outils progressent. Somerville déclare que les simulations numériques « ont fait des progrès très significatifs », pouvant mieux informer l'interprétation de l'univers à haut redshift ; Atek mentionne qu'en appariant les galaxies observées avec les meilleures analogies simulées, on peut déduire toute l'histoire de la formation stellaire.

En regardant plus loin, le rayonnement des galaxies et des trous noirs ionise l'océan d'hydrogène neutre, marquant la fin des âges sombres de l'univers ; les premières étoiles brûlent rapidement leur carburant et explosent en supernovae, semant de nouveaux éléments comme le carbone, l'azote, l'oxygène, le phosphore, le fer, etc., les matières premières des planètes et de la vie. Lise Christensen, astrophysicienne au Cosmic Dawn Center, le dit sans détour : « Nous regardons en arrière vers ce qui nous a créés. » C'est peut-être la première fois que l'humanité a la chance de voir de ses propres yeux d'où elle vient.