Des étoiles primordiales colossales pourraient être à l’origine des trous noirs supermassifs

Alors que l’on estime que les trous noirs supermassifs se trouvant au centre de la plupart des galaxies ont atteint leur taille colossale en engloutissant des quantités énormes de matière pendant des milliards d’années, une nouvelle étude suggère qu’ils pourraient plutôt avoir été engendrés par des étoiles primordiales colossales.

De véritables monstres cosmiques

Il existe deux classes principales de trous noirs. Possédant une masse comprise entre cinq et quelques dizaines de soleils, les trous noirs de masse stellaire se forment lorsque certaines étoiles épuisent leurs réserves de « carburant » et s’effondrent sur elles-mêmes, tandis qu’à l’autre extrémité du spectre, on trouve les trous noirs supermassifs, dont la masse se révèle des millions, voire des milliards de fois supérieure à celle de notre astre.

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On pense généralement que les premiers cités deviennent des trous noirs supermassifs en l’espace de milliards d’années, en engloutissant poussière, gaz, étoiles, planètes et autres trous noirs. Une hypothèse étayée par des preuves de plus en plus nombreuses de l’existence d’une nouvelle catégorie de trous noirs, dits de masse intermédiaire, comprise entre 100 et 10 000 fois celle du Soleil.

Cependant, les choses ne sont pas aussi simples. Les premières étoiles semblent plafonner entre 100 et 200 masses solaires et, si elles s’effondraient en trous noirs, elles devraient avaler d’énormes quantités de matière sur une longue période pour devenir des monstres supermassifs. Dans de nombreux cas, il n’y a tout simplement pas assez de « nourriture » disponible. De plus, les observations ont montré que ces gigantesques trous noirs sont apparus assez tôt dans l’histoire de l’Univers, de sorte qu’il n’y a pas eu assez de temps pour qu’ils atteignent une telle taille par cette méthode.

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La théorie des étoiles primordiales

L’origine des trous noirs supermassifs fait l’objet de recherches approfondies de la part des astronomes, mais une possibilité intrigante est qu’ils aient pris un raccourci, en se développant à partir d’étoiles « supermassives » ayant des masses de l’ordre de dizaines de milliers de soleils. Bien qu’il s’agisse d’objets hypothétiques, ces astres monstrueux constitueraient toutefois une explication commode.

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« Il se peut qu’un faible nombre des premières étoiles de l’Univers possèdent des dizaines de milliers de masses solaires », explique Ke-Jung Chen, auteur principal de l’étude, parue dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. « Elles sont susceptibles d’être les progénitrices des trous noirs supermassifs des galaxies, car plus l’élément à l’origine du trou noir est massif, plus ce dernier se révèle efficace pour avaler la matière environnante. Les trous noirs n’ont pas besoin de maintenir un taux d’accrétion élevé pour croître rapidement. »

La partie la plus délicate restant de trouver des preuves directes de leur existence, car si tel était le cas, elles se seraient probablement toutes effondrées en trous noirs il y a des milliards d’années.

Le télescope spatial James Webb pour y voir plus clair

Alors que la plupart des partisans de la théorie des étoiles supermassives prédisent qu’elles s’effondreraient directement, sans devenir supernova, Chen n’est pas de cet avis.

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En 2014, le chercheur et ses collègues avaient présenté un modèle expliquant comment une étoile primordiale d’environ 55 000 masses solaires pourrait subir une supernova causée par la combustion explosive d’hélium. Pour cette nouvelle recherche, l’équipe a simulé la dynamique de rayonnement de ce type d’événement, et constaté qu’il devrait émettre une lueur rouge caractéristique (l’expansion de l’Univers étirant les longueurs d’onde de la lumière vers cette extrémité du spectre) pendant des décennies.

Plus intéressant encore, ce phénomène devrait être repérable dans l’infrarouge proche par le prochain télescope spatial James Webb, successeur de Hubble. Ce qui sous-entend que nous pourrions identifier les vestiges de ces supernovas d’étoiles supermassives et valider l’hypothèse, ou la rayer de la liste si l’analyse se révélait infructueuse.