Les données de Webb rendent plausible l’existence d’étoiles sombres dans l’Univers primordial

Des astronomes qui étudient les observations du télescope spatial James-Webb ont identifié trois objets dont la lumière pourrait provenir d’étoiles sombres plutôt que de galaxies primitives ordinaires, selon Sky at Night Magazine. Les spectres disponibles ne sont pas encore assez précis pour trancher entre ces deux possibilités.

Ces objets proviennent d’un groupe de 700 sources probablement situées dans l’Univers primordial, identifiées dans les données de Webb de 2022. Seules neuf de ces sources possèdent des spectres suffisamment précis pour permettre une identification détaillée. L’une d’elles est confirmée comme étant une galaxie primitive, car sa lumière contient les signatures de plusieurs éléments. Trois autres pourraient encore être des étoiles sombres ou des galaxies, tandis que les données concernant les autres objets ne suffisent pas à déterminer leur nature.

Cette distinction est importante, car les étoiles sombres offriraient une autre vision de la formation des premières grandes structures. Elles pourraient également contribuer à expliquer pourquoi des trous noirs extrêmement massifs sont observés si tôt dans l’histoire cosmique.

Un autre type de première étoile

Les étoiles sombres sont des candidates théoriques au titre de premières étoiles, apparues environ 200 millions d’années après le Big Bang. Comme les premières étoiles ordinaires, elles commenceraient avec l’hydrogène et l’hélium produits lors du Big Bang. Leur source d’énergie ne serait toutefois pas initialement la fusion nucléaire.

Ces étoiles devraient se former au centre de jeunes proto-galaxies, des régions contenant des quantités particulièrement importantes de matière noire. Alors que le gaz d’hydrogène commencerait à s’effondrer, les particules de matière noire pourraient s’annihiler entre elles. Les photons et autres particules produits seraient piégés dans le gaz, transférant l’énergie de la matière noire à l’objet en formation.

Cette énergie pourrait arrêter l’effondrement et créer un corps semblable à une étoile. Le nom d’étoile sombre fait référence à sa source d’énergie, et non à son apparence : ces objets pourraient être extraordinairement brillants. Leur intérieur serait relativement froid, avec des températures similaires à celle de la surface du Soleil, mais leur taille immense leur permettrait de briller intensément.

En l’absence du rayonnement hautement énergétique produit par une surface plus chaude, l’objet pourrait continuer à accumuler de la matière. Les étoiles sombres théoriques pourraient finalement atteindre environ un million de fois la masse du Soleil et briller avec une luminosité environ un milliard de fois supérieure à celle du Soleil. À cette échelle, une seule étoile sombre pourrait paraître aussi brillante qu’une jeune galaxie composée de nombreuses étoiles conventionnelles.

Leur durée de vie dépendrait de leur accès à la matière noire. Une étoile sombre pourrait rester active pendant des millions, voire des milliards d’années, tant qu’elle disposerait de combustible. Si elle sortait d’un environnement riche en matière noire, sa source d’énergie s’affaiblirait et l’étoile commencerait à se contracter et à chauffer.

Le défi de Webb : étoile ou galaxie ?

Les chercheurs utilisent les différences entre la lumière stellaire et la lumière galactique pour mettre cette hypothèse à l’épreuve. Une jeune galaxie devrait contenir de nombreuses étoiles et donc présenter dans son spectre les signes de toute une gamme d’éléments chimiques. Une étoile sombre, en revanche, ne devrait être composée que d’hydrogène et d’hélium.

Avec la résolution actuellement disponible, les deux types de sources pourraient apparaître comme un unique point lumineux. Une galaxie pourrait, en principe, fournir davantage d’informations par sa taille ou sa forme apparente, mais les distances immenses en jeu rendent cette approche difficile. La spectroscopie constitue donc le test le plus important, et les mesures existantes ne sont pas encore assez précises pour trois des cibles de Webb.

Sky at Night Magazine a évoqué cette étude avec Katherine Freese, directrice de l’Institut Weinberg de physique théorique et titulaire d’une chaire de physique à l’université du Texas à Austin. Freese est spécialisée en cosmologie théorique et en physique des astroparticules, et elle a travaillé sur l’hypothèse des étoiles sombres.

Des graines possibles pour les trous noirs géants

Les étoiles sombres pourraient également relier la première génération d’étoiles aux trous noirs massifs observés dans l’Univers jeune. Lorsqu’un environnement riche en matière noire ne permet plus à une étoile sombre très massive de subsister, son effondrement pourrait se dérouler différemment selon sa masse. Un objet plus petit pourrait développer un cœur chaud alimenté par la fusion. Une étoile sombre approchant un million de masses solaires pourrait, elle, s’effondrer pour former un trou noir.

Les astronomes ont découvert des trous noirs dont la masse atteint environ un milliard de fois celle du Soleil à une époque étonnamment précoce de l’histoire cosmique. Si de nombreuses étoiles sombres produisaient des graines de trous noirs d’environ un million de masses solaires, ces graines pourraient fusionner et éventuellement former les trous noirs supermassifs observés lors d’observations ultérieures.

La prochaine occasion de tester l’interprétation en termes d’étoiles sombres pourrait venir d’objets agrandis par lentille gravitationnelle. Lorsqu’un corps massif se trouve entre la Terre et une source lointaine, sa gravité courbe la lumière de la source et peut l’amplifier. De meilleures observations de ces objets de l’Univers primordial, naturellement amplifiés, pourraient fournir des spectres plus précis et faciliter la détermination de la nature des candidats : étoiles inhabituelles ou jeunes galaxies.