Un trou noir qui ne se forme pas par effondrement stellaire 

Le trou noir du Petit Point Rouge (LRD) Abell 2744-QSO1, observé par le JWST dans l'Univers primordial (environ 700 millions d'années après le Big Bang), est un trou noir supermassif qui a atteint sa taille actuelle sans être alimenté par une galaxie beaucoup plus massive. Selon le modèle standard de l'évolution stellaire, les trous noirs se forment lors de la mort d'étoiles massives en fin de vie, lorsqu'elles épuisent leur combustible suite à l'effondrement de leur cœur. Ces trous noirs grossissent en se nourrissant de matière provenant d'une galaxie beaucoup plus grande. Le trou noir du Petit Point Rouge QSO1 ne correspond pas à ce modèle et est unique en son genre. Il s'est formé directement, sans évolution stellaire standard ; autrement dit, il ne s'agit pas d'un vestige d'étoile. Il ne s'agit pas d'un effondrement du cœur d'une étoile massive en fin de vie. Il s'agit plutôt soit d'un trou noir à effondrement direct (DCBH), soit d'un trou noir primordial (PBH). L'existence de trous noirs ne résultant pas d'un effondrement stellaire avait déjà été théorisée. Ceci constitue la preuve de l'existence d'un trou noir formé par un processus qui dépasse le cadre standard. évolution stellaire.  

Comment se forme un trou noir ? Selon le modèle standard de l’évolution stellaire, les trous noirs sont le produit final de l’évolution des étoiles massives. Les étoiles subissent des transformations au fil du temps. 

La vie d'une étoile commence dans les vastes nuages ​​interstellaires de gaz et de poussière de la galaxie, où les gaz s'agglomèrent en zones de basse température et de haute densité. Ces amas s'enrichissent progressivement de matière et grossissent. À un certain stade, ils s'effondrent sous l'effet de la force gravitationnelle croissante. La friction lors de cet effondrement réchauffe la matière et une jeune étoile naît : c'est le stade de protoétoile. L'effondrement gravitationnel se poursuit, entraînant une augmentation progressive de la température et de la pression au cœur de la protoétoile. Finalement, la température et la pression deviennent suffisamment élevées pour permettre la fusion des noyaux d'hydrogène. La fusion nucléaire libère une énorme quantité d'énergie, ce qui réchauffe suffisamment la matière pour empêcher tout nouvel effondrement sous l'effet de la gravité. C'est la phase de la séquence principale de l'étoile. L'hydrogène est son principal combustible. 

Lorsque le combustible s'épuise, la fusion nucléaire cesse et il n'y a plus d'énergie pour chauffer la matière et compenser la force de gravité. Le cœur s'effondre alors, ne laissant derrière lui qu'un résidu compact. C'est la fin de l'étoile. L'étoile morte, ou le résidu compact, est soit une naine blanche, soit une étoile à neutrons, soit… trou noir Cela dépend de la masse de l'étoile d'origine. Les étoiles plus massives que 20 masses solaires (>20 M⦿) deviennent des trous noirs à la fin de leur évolution, lorsque leur combustible est épuisé. C'est le processus classique : les étoiles et les galaxies se forment d'abord, puis les trous noirs se forment plus tard, au terme de l'évolution stellaire. La masse de ces trous noirs est bien inférieure à la masse totale de la galaxie. 

Formation non stellaire de trous noirs

Les trous noirs peuvent-ils se former autrement que par l'effondrement du cœur d'une étoile ? Deux mécanismes de formation « non stellaires » ont été proposés. 

Dans l'Univers primordial, un vaste nuage de gaz primordial pouvait s'effondrer directement en un trou noir, court-circuitant la formation et l'évolution stellaires classiques, donnant naissance à ce que l'on appelle les trous noirs à effondrement direct (TND). Les autres trous noirs hypothétiques formés directement, sans intervention de l'évolution stellaire standard, sont les trous noirs primordiaux (TNP). Les TNP sont des vestiges du Big Bang, formés lors des fluctuations de densité extrêmes de l'Univers primordial, peu après le Big Bang. 

Les trous noirs formés par des voies « non stellaires » ne sont pour l'instant que théoriques, et donc hypothétiques. Mais la situation a rapidement évolué avec le lancement du JWST en décembre 2021, un observatoire spatial infrarouge dédié à l'étude de l'Univers primordial.

Le télescope spatial James Webb (JWST) révolutionne l'étude de l'univers primordial 

Le JWST a réalisé plusieurs observations qui remettent en question notre compréhension de l'Univers primordial. L'observation de la galaxie JADES-GS-z14-0 à un décalage vers le rouge de 14.32 en fait la galaxie la plus lointaine connue à ce jour. Formée dans l'Univers primordial environ 290 millions d'années après le Big Bang, cette galaxie est pourtant vaste, massive et extrêmement lumineuse. Elle s'est également révélée riche en métaux, ce qui signifie que des générations d'étoiles massives auraient déjà achevé leur cycle de vie, de leur naissance à l'explosion en supernova, il y a environ 290 millions d'années. De même, la galaxie GS-NDG-9422, datant d'environ un milliard d'années après le Big Bang, s'est avérée chimiquement complexe et ne contient aucune étoile de Population III. Selon les connaissances actuelles, la première génération d'étoiles de l'Univers primordial devrait être composée d'étoiles de Population III, de métallicité nulle. (En astronomie, tout élément plus lourd que l'hélium est considéré comme un métal. Les non-métaux, comme l'oxygène et l'azote, sont considérés comme des métaux dans un contexte cosmologique. Les étoiles s'enrichissent en métaux à chaque génération suivant une explosion en supernova). 

Le télescope spatial Jones (JWST) a également observé des trous noirs supermassifs dans l'Univers primordial. L'un d'eux, datant d'environ 700 millions d'années après le Big Bang, avait une masse de quelques millions de fois celle du Soleil. Tout a commencé lorsque le JWST a observé de petits points rouges (LRD), repérés dans ses premières données publiées en 2022. Ces objets compacts de couleur rouge présentaient des spectres en forme de V et émettaient des rayonnements provenant d'hydrogène gazeux à haute vitesse. 

Le Petit Point Rouge QSO1 (ou Abell2744-QSO1) 

QSO1 (ou Abell2744-QSO1) est un prototype de petit point rouge d'environ 1 300 années-lumière de diamètre, situé à plus de 13 milliards d'années-lumière. Il existait dans l'Univers primordial, seulement 700 millions d'années après le Big Bang. Il est influencé par l'amas de galaxies Abell 2744 (amas de Pandore), ce qui explique son grossissement et sa triple image : il apparaît à trois endroits différents dans le ciel. De ce fait, QSO1 est plus facile à étudier que la plupart des autres petits points rouges. 

L'étude détaillée de ce Petit Point Rouge (LRD) a conduit les chercheurs à conclure que certains trous noirs supermassifs étaient énormes dès leur origine. Ils se sont formés sans phase d'effondrement stellaire et sans galaxie hôte significativement plus massive pour les alimenter. 

QSO signifie Objet Quasi-Stellar (communément appelé quasar). 

Les premières études ont révélé que QSO1 est plus qu'un simple nuage de gaz incandescents (hydrogène et hélium) orbitant autour d'un trou noir supermassif d'environ 40 millions de fois la masse du Soleil. Cependant, sa masse réelle restait incertaine. En effet, jusqu'à présent, toutes les mesures de masse des trous noirs dans l'Univers primordial étaient indirectes, basées sur des hypothèses formulées à partir de nos connaissances sur ces objets dans l'Univers local. Nous ignorions si ces hypothèses étaient valides pour l'Univers primordial. 

Les chercheurs ont constaté que si le trou noir de QSO1 est réellement aussi massif, ils devraient pouvoir utiliser l'unité de champ intégral (IFU) du JWST pour étudier les effets de sa gravité sur le gaz qui l'entoure, et pour cartographier la distribution des différents éléments qui le composent. Ils ont donc utilisé les observations de l'IFU pour cartographier les mouvements de l'hydrogène gazeux autour du trou noir. 

Le graphique de la vitesse de rotation en fonction de la distance au centre a révélé que le gaz suivait un mouvement képlérien, ce qui signifie que la majeure partie de la masse du QSO1 (Petit Point Rouge) est concentrée dans le trou noir central. Si la masse était répartie de manière uniforme, le gaz n'aurait pas orbité autour d'un point central selon un mouvement képlérien parfait, à l'instar des planètes autour du Soleil dans le système solaire. 

Le mouvement képlérien étant régi par les lois de la gravitation, les mesures de la vitesse du gaz ont permis aux chercheurs de calculer directement la masse du trou noir. Il s'agissait de la première mesure directe de la masse d'un trou noir de l'Univers primordial. On a déterminé que le trou noir de QSO1 a une masse d'environ 50 millions de masses solaires. De plus, ce trou noir représente les deux tiers de la masse totale de QSO1. Ceci est extrêmement rare, car les trous noirs supermassifs des galaxies proches ne constituent généralement qu'une petite fraction de la masse totale de leur galaxie hôte.

De plus, l'analyse des cartes de composition IFU a révélé que le gaz de QSO1 est presque entièrement composé d'hydrogène et d'hélium. Une galaxie riche en étoiles et en débris stellaires devrait contenir des éléments plus lourds comme l'oxygène, or QSO1 présente une métallicité extrêmement faible, inférieure à 0.5 % de celle du Soleil, ce qui suggère un environnement galactique très primitif.

La masse considérable de QSO1 par rapport à sa galaxie hôte suggère qu'il ne s'est pas formé par la fusion et l'absorption progressives de trous noirs stellaires plus petits. Apparemment, le trou noir de QSO1, surnommé « Petit Point Rouge », est antérieur à l'évolution stellaire. Il pourrait provenir d'un germe massif formé dans la première seconde du Big Bang (trou noir primordial) ou, un peu plus tard, de l'effondrement d'un nuage de gaz géant (trou noir par effondrement direct), et pourrait être aux prémices de la formation d'une galaxie autour de lui. Il est impossible pour l'instant de déterminer si le trou noir supermassif de QSO1 est un trou noir primordial (PBH) ou un trou noir par effondrement direct (DCBH) ; cependant, il existe des preuves de la formation non stellaire de trous noirs dans l'Univers primordial.

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Références: 

1. Maiolino R., et al 2026. Un trou noir dans une galaxie quasi-primitive 700 millions d'années après le Big Bang. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, volume 548, numéro 1, mai 2026, staf2109. Publié le 06 avril 2026. DOI : https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. et al. Mesure directe de la masse d'un trou noir dans un petit point rouge à haut décalage vers le rouge. Nature 653, 1017–1021 (2026). Publié le 27 mai 2026. DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Le télescope Webb de la NASA révèle un trou noir qui s'est formé avant sa galaxie. Publié le 27 mai 2026. Disponible sur https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

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