Les points rouges du JWST

Pour comprendre pourquoi ce petit grain rouge pose un si gros problème, il faut d’abord se rappeler ce qu’on a appris dans les deux articles précédents. Dans La lumière : Une symphonie invisible, on a vu que la couleur n’est pas un pigment mais une fréquence, une vibration, et que la lumière visible n’est qu’une minuscule fenêtre sur un spectre électromagnétique immense qui s’étire du radio au gamma. Puis dans Quand l’Univers change de note, on a découvert que quand l’espace s’étire, la lumière s’étire avec lui, et que ce décalage vers le rouge — le fameux redshift, noté z — nous permet de mesurer les distances cosmiques et de remonter le temps. Un z de 1 signifie que l’Univers a doublé de taille depuis l’émission de la lumière. Un z de 10 nous ramène à environ 500 millions d’années après le Big Bang, quand l’Univers n’avait que 4 % de son âge actuel. Et ce point rouge que tu vois sur l’image du JWST, sa lumière a été étirée par plus de 13 milliards d’années d’expansion cosmique, décalée depuis l’ultraviolet et le visible jusqu’à l’infrarouge, complètement invisible pour nos yeux et même pour Hubble, mais éclatante pour le James Webb qui a été conçu précisément pour chasser ces fantômes rougis du cosmos primordial. Regarder loin, c’est regarder dans le passé, et le JWST est notre machine à remonter le temps. Sauf que ce qu’il voit là-bas, dans ce passé si lointain, ne colle pas avec nos modèles. Ce point rouge est un trou noir qui ne devrait pas exister, ou en tout cas, pas encore, pas aussi vite, pas aussi gros. Et il n’est pas seul.

Avant de plonger dans l’anomalie, il faut d’abord comprendre comment on pensait que ça marchait. Les trous noirs stellaires, ceux qu’on connaît bien, se forment quand une grosse étoile arrive en fin de vie : elle s’effondre sur elle-même sous son propre poids, et ce qui reste, c’est un trou noir de quelques dizaines de masses solaires, compact, dense, invisible sauf quand il avale de la matière. Ce processus est bien compris, observé, documenté. On sait comment les étoiles meurent, on sait comment les trous noirs stellaires naissent. Mais les trous noirs supermassifs, eux, c’est une tout autre histoire. On ne sait pas comment ils se forment. Les points rouges du JWST montrent des trous noirs de 100 000 à 10 millions de masses solaires dans un Univers extrêmement jeune, et la question centrale, celle qui obsède les astrophysiciens depuis des décennies, c’est : comment passer de quelques dizaines de masses solaires à des millions en si peu de temps ? Il existe trois hypothèses principales, et aucune n’est totalement satisfaisante. La première, ce sont les « graines légères » : des étoiles de Population III, ces premières étoiles géantes qui se sont formées juste après le Big Bang et qui auraient laissé des trous noirs d’environ 150 masses solaires comme résidus, des graines qui auraient ensuite grandi à une vitesse folle en avalant du gaz et de la poussière. La deuxième, ce sont les « graines lourdes » : l’effondrement direct de nuages de gaz primordiaux ultra-denses et sans métaux, qui créeraient des trous noirs de 10 000 à 100 000 masses solaires dès le départ, sans passer par la case « étoile ». On appelle ça les Direct Collapse Black Holes, et ils nécessitent des conditions très spécifiques pour se former, notamment un rayonnement intense qui empêche le gaz de se fragmenter en étoiles. La troisième hypothèse, plus récente, propose que les trous noirs se forment dans des amas stellaires ultra-denses où les étoiles entrent en collision les unes avec les autres, créant des objets de plus en plus massifs par coalescence successive, jusqu’à produire des graines de plusieurs milliers de masses solaires.

Une fois que la graine existe, peu importe son origine, le trou noir doit grossir. Et pour grossir, il a deux options. La première, c’est l’accrétion de matière : il avale du gaz, de la poussière, tout ce qui passe à portée de son attraction gravitationnelle. C’est le mécanisme principal dans l’Univers jeune, à haut z, là où le gaz est abondant et les galaxies encore en train de se former. La seconde, ce sont les fusions avec d’autres trous noirs : deux galaxies se percutent, leurs trous noirs centraux finissent par se rapprocher, orbiter l’un autour de l’autre, puis fusionner en un seul objet plus massif, dans un cataclysme qui émet des ondes gravitationnelles détectables depuis la Terre. Ces ondes gravitationnelles, Einstein les avait prédites en 1916 dans le cadre de sa relativité générale, mais il avait lui-même douté plusieurs fois de leur réalité physique, se demandant si elles n’étaient pas simplement un artefact mathématique sans existence concrète. Il a fallu attendre près d’un siècle pour trancher le débat : le 14 septembre 2015, les deux détecteurs jumeaux de LIGO, situés à 3 000 kilomètres l’un de l’autre aux États-Unis, ont capté pour la première fois une vibration de l’espace-temps provoquée par la fusion de deux trous noirs à 1,3 milliard d’années-lumière de nous. La déformation détectée à la surface terrestre était vertigineusement faible : 10⁻²¹, soit un millième de la taille d’un noyau atomique sur les 4 kilomètres de longueur des bras des interféromètres. Et en 2025, on célébrait les 10 ans de cette découverte qui a ouvert l’astronomie gravitationnelle, une nouvelle fenêtre sur l’Univers où on n’écoute plus seulement la lumière, mais les vibrations de l’espace-temps lui-même. Les fusions deviennent importantes à bas z, dans l’Univers plus récent, quand les galaxies se sont structurées et commencent à interagir. Mais que ce soit par accrétion ou par fusion, il y a une limite. Et cette limite, c’est la fameuse limite d’Eddington, et c’est elle qui pose problème.

Alors, comment ont-ils triché ? Pour le comprendre, il faut d’abord revenir sur la façon dont on les a détectés. Chaque atome possède des raies spectrales, des empreintes lumineuses uniques comme des codes-barres qu’on peut lire quand on décompose la lumière avec un spectroscope. L’hydrogène laisse sa signature, l’hélium la sienne, l’oxygène, le carbone, le fer, chacun a son motif, et ces motifs ne changent jamais. Quand ces raies sont décalées vers le rouge, on sait que l’objet s’éloigne — ou plutôt, que l’espace s’est étiré entre nous et lui, comme on l’a vu dans l’article sur l’effet Doppler. Mais ces raies nous disent aussi autre chose : elles nous disent à quelle vitesse le gaz bouge autour du trou noir. Si les raies sont larges, floues, étalées sur une grande plage de longueurs d’onde, c’est que le gaz tourne très vite, qu’il est chauffé, agité, comprimé, et cette largeur nous permet d’estimer la masse du trou noir et le taux d’accrétion. Et c’est là que les observations de LID-568 ont révélé quelque chose de stupéfiant : il absorbe de la matière 40 fois plus vite que la limite d’Eddington. Quarante fois. Ce n’est pas une petite entorse à la règle, c’est une violation flagrante, un excès de vitesse cosmique. On appelle ça une accrétion super-Eddington, et pendant longtemps, on pensait que c’était théoriquement possible mais extrêmement rare, une sorte de crise de boulimie cosmique qui ne pouvait durer que quelques instants à l’échelle astronomique.

Et puis en 2025, les observations du JWST ont révélé le mécanisme derrière cette tricherie. Les LRDs ne sont pas des trous noirs ordinaires en train de manger dans un environnement ordinaire : ils sont enveloppés dans des cocons de gaz ionisé ultra-dense. Imagine un trou noir au centre d’un nuage de gaz si compact, si chaud, si agité que les atomes perdent leurs électrons, que le rayonnement est piégé à l’intérieur, et que la pression radiative, au lieu de repousser la matière vers l’extérieur comme elle le fait normalement, est diffusée, dispersée, absorbée par ce gaz dense avant de pouvoir s’échapper. C’est ce cocon qui permet au trou noir de manger bien au-delà de la limite d’Eddington, parce que le gaz continue d’affluer malgré le rayonnement. Ce cocon produit aussi les lignes d’émission larges caractéristiques qu’on observe dans les spectres des LRDs, et il supprime les émissions X et radio qu’on devrait normalement détecter avec des trous noirs actifs. C’est pour ça qu’on ne les voyait pas avant le JWST : ils brillent dans l’infrarouge, cachés derrière leurs cocons, invisibles dans les longueurs d’onde qu’Hubble ou Chandra observent. Le JWST, lui, voit à travers ce voile rouge, et ce qu’il révèle, c’est une phase de croissance explosive, un moment rare et temporaire où le trou noir avale tout ce qui passe à portée sans que rien ne puisse l’arrêter.

Mais ce n’est pas tout. En 2025, une révision majeure des masses a bouleversé notre compréhension de ces objets. Les premières estimations plaçaient ces trous noirs dans la catégorie des « monstres géants », avec des masses de plusieurs dizaines de millions de fois celle du Soleil. Mais des observations plus fines, des modèles plus sophistiqués, et une meilleure compréhension des cocons de gaz ont montré qu’on s’était trompés. Ces trous noirs ne sont pas des géants : ils pèsent « seulement » entre 100 000 et 10 millions de masses solaires, soit deux ordres de grandeur plus petits qu’estimé initialement. Et pourtant, ils restent surdimensionnés par rapport à leurs galaxies hôtes. Dans l’Univers local, dans les galaxies qu’on observe près de nous — et d’ailleurs, toutes les galaxies observées à ce jour possèdent un trou noir supermassif en leur centre — il existe une relation bien établie entre la masse d’un trou noir central et la masse de la galaxie qui l’entoure : le trou noir représente environ 0,1 % de la masse stellaire de la galaxie. Mais les LRDs violent cette relation de manière spectaculaire : leurs trous noirs sont de 1 à 4 ordres de grandeur au-dessus de ce qu’ils devraient être. C’est comme si tu trouvais un nouveau-né qui pèse certes 20 kilos — un gros bébé, mais techniquement viable — mais que sa mère ne faisait que 500 grammes. Le problème, ce n’est pas tant la taille absolue du bébé, c’est le fait qu’il soit complètement disproportionné par rapport à son environnement. Ces découvertes prouvent que les trous noirs peuvent avoir des phases de croissance « explosives » dans l’Univers primordial, alimentées par des conditions extrêmes qu’on ignorait ou qu’on sous-estimait, et que la limite d’Eddington, cette « vitesse maximale » qu’on pensait inviolable, peut être contournée pendant des périodes suffisamment longues pour faire la différence.

Ces points rouges nous ont appris plusieurs choses fondamentales. Ils nous ont montré que les trous noirs peuvent avoir des phases de croissance explosive dans l’Univers primordial, alimentées par des cocons de gaz dense qui transforment temporairement les règles du jeu. Ils nous ont révélé que les Little Red Dots représentent peut-être une étape normale — mais brève — de l’évolution galactique, une phase que toutes les galaxies traversent ou ont traversée, mais qu’on ne détecte que maintenant parce qu’elle est fugace et qu’elle brille dans des longueurs d’onde que seul le JWST peut voir. Et ils nous ont forcés à réviser nos modèles de formation des galaxies : la « limite de vitesse » de l’Univers, la limite d’Eddington, n’est pas aussi stricte qu’on le pensait, ou en tout cas, elle peut être violée pendant assez longtemps pour expliquer l’existence de ces trous noirs trop gros, trop tôt, trop massifs.

Mais il y a quelque chose de plus troublant, quelque chose qui dépasse même le problème de la croissance des trous noirs. Ces galaxies, ces LRDs, elles ne sont pas seulement étranges parce qu’elles hébergent des trous noirs disproportionnés : elles sont étranges parce qu’elles sont trop brillantes, trop massives, trop matures pour leur âge. Selon nos modèles de formation des galaxies, elles n’auraient pas dû avoir le temps de former autant d’étoiles, d’accumuler autant de masse stellaire, de produire autant de lumière en si peu de temps. C’est comme si l’Univers primordial avait appuyé sur le bouton « avance rapide » sans que personne ne sache pourquoi. Et ce problème, cette accélération inexpliquée, rejoint un autre mystère cosmologique beaucoup plus vaste, un mystère qui touche à l’expansion de l’Univers lui-même.

Quand on mesure à quelle vitesse l’Univers s’étire aujourd’hui, on trouve deux réponses différentes selon la méthode utilisée. Si on mesure l’expansion en observant l’Univers jeune — en analysant le fond diffus cosmologique, cette lumière fossile émise 380 000 ans après le Big Bang — on trouve une vitesse d’expansion d’environ 67 kilomètres par seconde par mégaparsec. Mais si on la mesure en observant l’Univers proche — en utilisant des supernovae comme étalons de distance — on trouve environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec.

L’écart entre les deux mesures (67 et 73 km/s/Mpc) semble petit, mais en cosmologie, c’est énorme : c’est une divergence de 5 sigma, une différence statistiquement significative qui ne peut pas être expliquée par des erreurs de mesure. C’est ce qu’on appelle la tension de Hubble, et c’est l’un des plus grands casse-têtes de la cosmologie moderne. L’Univers jeune et l’Univers proche ne racontent pas la même histoire d’expansion, et personne ne sait pourquoi. Est-ce que nos modèles cosmologiques sont incomplets ? Est-ce qu’il y a une nouvelle physique qu’on ne comprend pas encore ? Est-ce que l’énergie noire, cette force mystérieuse qui accélère l’expansion, change de nature au fil du temps ?

Ces galaxies trop précoces, ces LRDs qui défient nos modèles, sont peut-être un indice que quelque chose cloche dans notre compréhension de l’expansion cosmique elle-même. Si l’Univers s’étirait plus vite dans le passé qu’on ne le pense, si nos mesures de distances sont faussées, si le taux de formation stellaire dans l’Univers primordial était différent de ce qu’on modélise, alors peut-être que ces galaxies ne sont pas des anomalies : peut-être qu’elles nous disent simplement que nos horloges cosmiques sont mal réglées. La semaine prochaine, on plonge dans ce mystère : pourquoi l’Univers ne s’étire-t-il pas partout à la même vitesse ? Pourquoi nos deux mesures divergent-elles ? Et qu’est-ce que ça signifie pour notre compréhension de l’histoire de l’Univers ?

En attendant, garde ça en tête : la prochaine fois que tu vois un point flou sur une photo de la NASA, dis-toi que c’est peut-être un glouton cosmique qui défie la physique, un trou noir qui a triché avec les règles de l’Univers, et qui nous force à repenser tout ce qu’on croyait savoir sur la façon dont les galaxies naissent et grandissent. Combien d’autres « tricheurs » se cachent dans les données du James Webb ? Combien de règles cosmiques attendent d’être réécrites ? L’histoire de l’Univers primordial n’est pas celle qu’on pensait. Et ça, c’est vertigineux.

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