Au cours des premières centaines de millions d’années qui ont suivi le Big Bang, les premières étoiles de l’univers ont commencé à se former à partir de nuages d’hydrogène et d’hélium. Cependant, les observations du Télescope spatial James Webb (JWST) ont révélé des objets dans l’univers primitif d’une luminosité étonnamment brillante, remettant en question les modèles conventionnels d’évolution stellaire et de formation de trous noirs. Un récent étude menée par des chercheurs de l’Université Colgate et de l’Université du Texas à Austin rapporte l’identification de quatre objets extrêmement éloignés dont les propriétés sont cohérentes avec un nouveau type théorique d’étoile. La recherche, publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciencessuggère qu’il s’agit peut-être des premières « étoiles noires » observées, des objets stellaires géants alimentés non pas par la fusion nucléaire, mais par l’annihilation de la matière noire.
Une nouvelle théorie de l’évolution stellaire
La théorie des étoiles noires, initialement développée par Katherine Freese et ses collaborateurs dans un article de 2008, fournit une explication potentielle à ces objets cosmiques inhabituels. Selon la théorie, étoiles sombres sont de vastes nuages « gonflés » composés principalement d’hydrogène et d’hélium. Contrairement aux étoiles normales, qui sont protégées contre l’effondrement gravitationnel par la pression extérieure de la fusion nucléaire dans leur noyau, les étoiles sombres sont alimentées par un mécanisme différent. Ils sont chauffés par l’annihilation des particules de matière noire qu’ils contiennent. Il est largement admis que la matière noire est constituée d’un nouveau type de particule, les particules massives à faible interaction (WIMP) étant l’un des principaux candidats. Lorsque ces particules entrent en collision, elles s’annihilent, déposant une quantité infime mais suffisante de chaleur dans le nuage de gaz qui s’effondre. Ce processus empêche le nuage de devenir suffisamment dense pour initier la fusion, lui permettant plutôt de se transformer en un objet extrêmement brillant et supermassif. Les conditions pour la formation d’étoiles noires auraient été idéales dans les halos denses de matière noire de l’univers primitif.
Analyse des objets candidats du télescope spatial James Webb
Utiliser les données de JWST Enquête extragalactique avancée avancée (JADES)l’équipe de recherche a identifié quatre objets candidats à des distances extrêmes. Les candidats sont nommés JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0et JADES-GS-z11-0. L’équipe a analysé à la fois la morphologie et les spectres de ces objets à l’aide des instruments NIRCam et NIRSpec du télescope. L’analyse a montré que chacun des quatre objets est cohérent avec l’interprétation de l’étoile noire supermassive. Morphologiquement, JADES-GS-z14-1 n’est pas résolue, ce qui signifie qu’elle apparaît comme une source ponctuelle, ce que l’on pourrait attendre d’une seule étoile très lointaine. Les trois autres objets sont extrêmement compacts. L’élément de preuve le plus convaincant vient de l’éventail des JADES-GS-z14-0qui montre des signes d’une potentielle signature « fumante » pour une étoile noire. Les chercheurs ont découvert une baisse du spectre cohérente avec une caractéristique d’absorption des ions hélium à 1640 Å. Cette caractéristique spécifique devrait exister dans les atmosphères des étoiles noires en raison des grandes quantités d’hélium mono-ionisé. Cependant, les chercheurs notent que le rapport signal/bruit de cette fonctionnalité est relativement faible, à environ S/N ~2ce qui signifie que la conclusion est encore provisoire. Les données de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ont également révélé la présence d’oxygène pour le même objet, ce qui suggère qu’il ne s’agit peut-être pas d’une étoile primordiale isolée mais d’une étoile noyée dans un environnement riche en métaux, peut-être à la suite d’une fusion. L’identification d’étoiles sombres supermassives pourrait aider à résoudre deux énigmes majeures en astronomie : pourquoi JWST trouve des galaxies si brillantes dans l’univers primitif et comment les trous noirs supermassifs observés alimentant des quasars lointains se sont formés si rapidement.
