De mystérieux « petits points rouges » découverts par le télescope James Webb pourraient être les premières étoiles de l’univers sur le point de s’effondrer

Les astronomes ont peut-être trouvé des preuves que certains des mystérieux « petits points rouges » découverts par le Télescope spatial James Webb (JWST) ne sont pas des trous noirs, comme proposé précédemment, mais plutôt des étoiles gigantesques datant du début de l’univers.

L’équipe a fait cette découverte en développant un modèle simplifié d’étoiles anciennes supermassives — les « parents » potentiels des premières étoiles supermassives. trous noirs dans l’univers.

Les « petits points rouges », qui existaient au cours des 2 premiers milliards d’années de l’univers, ont été l’une des découvertes les plus surprenantes du JWST. Les astronomes ont d’abord proposé que les objets rouges compacts pourraient être des noyaux galactiques actifs (AGN), qui sont de grandes galaxies alimentées par des trous noirs qui accumulent rapidement de la matière.

Mais les preuves ne sont pas simples. Les objets sont extrêmement petits – plus petits que ce à quoi on pourrait s’attendre pour les galaxies typiques. Et jusqu’à présent, ils ne montrent aucune émission claire de rayons X, qui est la principale signature de l’alimentation active des trous noirs. Leurs spectres manquent également de fortes raies d’émission de métaux au-delà de l’hydrogène et de l’hélium, ce qui laisse entendre que le gaz environnant pourrait être chimiquement primitif, contrairement aux régions riches en métaux généralement observées autour des trous noirs qui s’alimentent activement.

Cela a motivé Devesh Nandal et Avi Loeb du Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) pour explorer une possibilité différente : et si ces objets compacts étaient en réalité des étoiles supermassives capturées juste avant de s’effondrer en trous noirs ?

« Si ces petits points rouges n’ont plus de rayons X, ils ne montrent aucune de ces autres lignes métalliques, et si des étoiles supermassives peuvent se former et exister, alors nous avons montré que de telles étoiles produiront naturellement les caractéristiques de ces petits points rouges », a déclaré Nandal, chercheur postdoctoral au CfA et auteur principal de l’étude, à Live Science. « Pour la toute première fois, nous pensons que nous ne regardons pas la signature d’une étoile morte. »

Les recherches de l’équipe ont été publiées le 5 février dans Le journal d’astrophysique.

Ancêtres des monstres

Étoiles supermassives – que possèdent Nandal et ses collègues anciennement appelé « étoiles monstres » – sont des étoiles extrêmement massives formées principalement de gaz primordial, principalement d’hélium et d’hydrogène, dans l’univers primitif. Elles sont classées comme étoiles de première génération, ou étoiles de population III. Certains modèles suggèrent que ces premières étoiles pourraient atteindre des milliers, voire un million de fois la masse du soleil. Lorsque ces étoiles meurent, elles se transforment en trous noirs supermassifs.

Pour expliquer l’extrême luminosité des petits points rouges, les astronomes ont développé un modèle détaillé d’une étoile supermassive sans métal possédant près d’un million de masses solaires. L’équipe a comparé ses simulations avec les caractéristiques de deux petits points rouges, baptisés MoM-BH*-1 et La Falaisedécouvert respectivement environ 650 millions d’années et 1,8 milliard d’années après le Big Bang. Le modèle d’étoile supermassive correspondait non seulement à leur extrême luminosité, mais également à certaines caractéristiques importantes de leur spectre (les différentes longueurs d’onde de lumière qu’elles émettent).

Une caractéristique unique des petits points rouges est une inclinaison distinctive en forme de V dans leur spectre. Certaines interprétations suggèrent que cette forme se produit parce que la poussière absorbe la lumière, ce qui donne à l’objet un aspect rougeâtre.

Selon le nouveau modèle, cette forme est produite par l’atmosphère ou la couche externe d’une étoile. Ainsi, au lieu que la poussière modifie la lumière, c’est la propre atmosphère de l’étoile qui crée l’effet.

« Si les étoiles supermassives sont réelles, ce que nous pensons parce que les étoiles de la population III devraient être réelles, alors un petit point rouge serait l’endroit idéal pour se cacher », a déclaré Nandal.

Il a suggéré que le creux en forme de V et l’apparence rougeâtre pourraient également être liés à la perte de masse de l’étoile, un peu analogue à éjections de masse coronale du soleil. Mais dans ce scénario, la matière expulsée de l’étoile forme autour d’elle une structure compacte semblable à une coquille. Le mécanisme de cette perte de masse n’est pas entièrement compris. L’équipe travaille à améliorer les modèles d’atmosphères extérieures des étoiles. Ils testent également si les pulsations – expansions et contractions rythmiques – pourraient soulever de la matière de la surface des étoiles, créant ainsi une coque de gaz détachée qui refroidit et rougit la lumière émise.

« L’étude fonctionne bien comme exercice théorique », Daniel Whalenmaître de conférences à l’Institut de cosmologie et de gravitation de l’Université de Portsmouth qui n’a pas été impliqué dans l’étude, a déclaré à Live Science. « Cela montre qu’une étoile supermassive peut reproduire certaines caractéristiques d’un spectre de petits points rouges. »

Les astronomes estiment qu’une étoile aussi massive ne resterait brillante que pendant environ 10 000 ans. Si l’étoile était moins massive – entre 10 000 et 100 000 masses solaires – elle brillerait pendant un million d’années. La raison est simple : plus l’étoile est massive, plus son combustible nucléaire brûle rapidement.

Si les petits points rouges sont des étoiles supermassives dans leurs derniers instants avant de s’effondrer en trous noirs, cela laisse une fenêtre d’observation encore plus courte. L’équipe a noté que les exigences de masse extrême et de courte durée de vie expliquent pourquoi tous les petits points rouges ne peuvent pas être expliqués par le nouveau modèle.

« C’est une fenêtre extrêmement courte », a déclaré Whalen. « Il est difficile d’expliquer comment environ 400 à 500 petits points rouges ont été découverts s’ils ont une durée de vie courte. »

Ceci ou cela ?

Une autre explication majeure des petits points rouges implique l’accrétion de trous noirs, possiblement formés par l’effondrement direct de nuages ​​​​d’hydrogène gazeux dans l’univers primitif, sans formation préalable d’étoiles normales. Whalen est sceptique quant au fait que le modèle des étoiles supermassives offre un avantage par rapport à cette théorie. « Je ne pense pas que cela apporte un avantage évident par rapport aux interprétations des trous noirs », a-t-il noté.

« Si ces objets accumulent des trous noirs, on peut s’attendre à un moment donné à ce que des rayons X s’échappent », a expliqué Nandal. « La détection d’une activité claire des rayons X favoriserait fortement l’interprétation de l’AGN. »

Les trous noirs qui subissent une alimentation chaotique ou des explosions devraient présenter une certaine variabilité dans leur rendement lumineux. Cependant, jusqu’à présent, aucune variabilité claire de la luminosité n’a été observée parmi les petits points rouges. La détection d’un certain scintillement favoriserait l’activité AGN et exclurait essentiellement les étoiles supermassives, car ces étoiles émettraient de la lumière de manière plus constante.

Des mesures spectroscopiques détaillées montrant l’abondance de produits chimiques autour de petits points rouges aideraient à étayer ou à exclure l’interprétation des étoiles supermassives.

« La réponse réside vraiment dans les ingrédients : de quoi est composé ce gaz ? » » dit Nandal. Des simulations antérieures ont montré que les étoiles supermassives contaminent leur environnement avec d’énormes quantités d’azote via des réactions nucléaires. D’un autre côté, des lignes de néon fortes seraient plus indicatives de l’activité AGN.

Whalen a noté que si des trous noirs sont présents, tous les rayons X qu’ils produisent pourraient simplement être absorbés par la poussière environnante. Les émissions radio de ces trous noirs pourraient cependant traverser des nuages ​​​​d’hydrogène denses et de la poussière et s’échapper dans l’espace.

Cela signifie des observations radio très sensibles provenant d’installations telles que le Tableau de kilomètres carrés ou encore le Very Large Array de nouvelle génération pourrait constituer un test décisif. « Si les petits points rouges sont réellement alimentés par des trous noirs enveloppés à effondrement direct, les ondes radio seront émises et nous les détecterons », a déclaré Whalen.

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