« Ce ne sont peut-être pas des étoiles » : le télescope James Webb pourrait avoir découvert des géants lumineux nourris par la matière noire

Les récentes observations du télescope spatial James Webb (JWST) pourraient bouleverser notre compréhension des premières structures lumineuses de l’univers. Selon une étude menée par Cosmin Ilie et ses collègues, certains de ces objets pourraient ne pas être des étoiles de fusion ordinaires, mais plutôt des « étoiles sombres » supermassives, alimentées par l’annihilation de la matière noire. Cette découverte pourrait expliquer la présence de sources lumineuses précoces et la formation rapide des trous noirs supermassifs que JWST a observées.

Les premières étoiles de l’univers

Dans les quelques centaines de millions d’années suivant le Big Bang, les premières étoiles de l’univers se sont formées à partir de nuages de gaz primordiaux composés d’hydrogène et d’hélium. Les observations récentes du JWST suggèrent que certains de ces objets primitifs pourraient être très différents des étoiles de fusion nucléaire que les astronomes ont observées jusqu’à présent. Une étude dirigée par Cosmin Ilie, avec la collaboration de Shafaat Mahmud, Jillian Paulin et Katherine Freese, a identifié quatre objets extrêmement distants dont les spectres et la morphologie sont compatibles avec des étoiles sombres supermassives.

Les « étoiles sombres » supermassives sont décrites comme des nuages gigantesques, lumineux et flous, principalement composés d’hydrogène et d’hélium. Elles seraient soutenues contre l’effondrement gravitationnel par de petites quantités de matière noire qui s’annihile à l’intérieur. Ces étoiles et les trous noirs qu’elles laissent derrière elles pourraient résoudre deux grandes questions en astronomie : pourquoi le JWST trouve-t-il des galaxies extrêmement lumineuses mais compactes à de grandes distances, et comment les trous noirs supermassifs des quasars les plus éloignés se sont-ils formés ?

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De la théorie à l’observation

Katherine Freese a développé la théorie originale des étoiles sombres avec Doug Spolyar et Paolo Gondolo. Leur première publication sur ce sujet, parue en 2008, a imaginé comment ces étoiles sombres pourraient conduire à des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif. Bien que la matière noire représente environ 25 % de l’univers, sa nature reste mystérieuse. On pense qu’elle est constituée de particules élémentaires encore non détectées. Les particules massives à interaction faible (WIMPs) sont parmi les principaux candidats. En théorie, lorsqu’elles se collisionnent, ces particules s’annihilent, transformant les nuages d’hydrogène en étoiles sombres brillantes.

Les conditions de formation des étoiles sombres étaient idéales quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, au centre des halos de matière noire. C’est à cet endroit et à cette époque que les premières étoiles de l’univers devraient s’être formées. Freese et ses collaborateurs ont récemment identifié des candidats spectroscopiques pour ces étoiles sombres supermassives. Selon Freese, ces étoiles précoces, pesant un million de fois la masse du Soleil, sont cruciales pour comprendre la matière noire et les trous noirs supermassifs.

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Identification des candidats

Dans une étude de 2023, Ilie, Paulin et Freese ont identifié les premiers candidats d’étoiles sombres supermassives grâce aux données photométriques de l’instrument NIRCam du JWST. Depuis, des spectres obtenus par l’instrument NIRSpec ont été analysés pour plusieurs objets extrêmement distants. L’équipe a examiné quatre des objets les plus éloignés jamais observés, dont certains candidats identifiés précédemment. Les résultats montrent que chacun de ces objets est compatible avec l’interprétation d’une étoile sombre supermassive.

Parmi eux, JADES-GS-z14-1 n’est pas résolu, ce qui signifie qu’il pourrait être une source ponctuelle, telle une étoile supermassive très éloignée. Les trois autres sont extrêmement compacts et peuvent être modélisés comme des étoiles sombres supermassives entourées de nébuleuses d’hydrogène et d’hélium ionisés. Chacun de ces objets peut aussi être interprété comme une galaxie, mais l’un d’eux présente une caractéristique distinctive des étoiles sombres : une absorption à 1640 Angström, due à l’hélium ionisé dans leur atmosphère.

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Une possible percée

L’un des moments les plus marquants de cette recherche fut la découverte d’une absorption à 1640 Angström dans le spectre de JADES-GS-z14-0. Bien que le rapport signal-bruit de cette caractéristique soit relativement faible, il s’agit potentiellement de la première signature d’une étoile sombre. Des observations de l’ALMA ont également révélé la présence d’oxygène, suggérant que l’objet pourrait être une étoile sombre dans un environnement riche en métaux. Cela pourrait résulter d’une fusion entre un halo de matière noire et une galaxie, ou d’une formation conjointe d’étoiles sombres et normales dans le même halo.

L’identification des étoiles sombres supermassives ouvrirait la voie à l’étude des particules de matière noire basées sur leurs propriétés observées, et établirait un nouveau champ d’astronomie : l’étude des étoiles alimentées par la matière noire. Cette recherche publiée dans le PNAS représente une étape clé dans cette direction.

Alors que les astronomes continuent d’explorer ces nouvelles découvertes, la question reste ouverte : quelles autres révélations sur la matière noire et la formation des premières structures de l’univers le JWST pourrait-il nous offrir ?