Quatre paires de « petits points rouges » pourraient annoncer des fusions de trous noirs

Les astronomes ont identifié quatre paires candidates de « petits points rouges » — ou Little Red Dots (LRD) — dans des images infrarouges du télescope spatial James-Webb. Ces sources compactes et particulièrement rouges pourraient correspondre à une phase précoce de croissance rapide de trous noirs. 81

La découverte repose sur une méthode qui examine la couleur de chaque pixel, plutôt que les propriétés globales d’une source. Cette approche permet de distinguer deux noyaux rouges très proches, même lorsque les méthodes classiques les confondent en un seul objet. 8

Des voisins probablement liés

Les quatre paires apparaissent dans les images de COSMOS-Web avec des séparations comprises entre 0,2 et 1,2 seconde d’arc. À cette échelle, il est possible que deux objets situés sur la même ligne de visée soient simplement superposés par hasard. Les chercheurs ont donc combiné l’analyse d’images avec des observations spectroscopiques et des tests statistiques. 8

Pour deux des paires, les spectres sans fente obtenus avec le programme JWST/COSMOS-3D montrent une raie d’émission à la même longueur d’onde chez les deux membres. Si ces raies larges et de forte largeur équivalente sont interprétées comme la raie H-alpha, elles correspondent à des décalages vers le rouge communs de 5,822 et 5,464. Cela renforce l’idée que les objets de chaque paire sont réellement voisins, plutôt que deux sources indépendantes alignées par hasard. 8

Ces mesures donnent des séparations projetées de 1,64 et 7,36 kiloparsecs — environ 5 300 et 24 000 années-lumière. La lumière de ces systèmes a été émise il y a environ 12,5 à 12,8 milliards d’années, alors que l’Univers était encore très jeune. 8

Les simulations de catalogues montrent par ailleurs que les projections fortuites sur la ligne de visée expliquent difficilement le nombre et la proximité de ces objets. Le regroupement des LRD à petite échelle serait environ 20 à 30 fois plus important que ne le laisserait prévoir une extrapolation du signal de corrélation des noyaux actifs de galaxies observé à plus grande échelle par James-Webb. 8

Une piste pour comprendre la croissance des trous noirs géants

Si les deux membres d’une paire abritent bien des trous noirs en cours d’accrétion, une interaction ou une fusion de leurs galaxies pourrait rapprocher du gaz du centre du système. Ce gaz pourrait alors alimenter une nouvelle phase de croissance rapide. La succession d’accrétions et de fusions offre une voie possible pour former des trous noirs très massifs en relativement peu de temps après le Big Bang. 8

Cette hypothèse est particulièrement intéressante parce que les LRD sont souvent considérés comme les témoins d’une phase ancienne de croissance des trous noirs supermassifs. Leur nature exacte et le mécanisme responsable de leur croissance apparente restent cependant débattus. 81

Les fusions ne sont pas la seule explication

Une autre possibilité est que l’accrétion de gaz, exceptionnellement intense et prolongée, joue le rôle principal. Certains modèles décrivent les LRD comme des noyaux actifs de galaxies enfouis dans des enveloppes très denses et optiquement épaisses. Ces cocons pourraient à la fois fournir le combustible nécessaire au trou noir et modifier la couleur rouge observée par le télescope. 32

Ces scénarios ne s’excluent pas nécessairement. Un environnement riche en gaz pourrait favoriser une forte accrétion avant, pendant et après une fusion. Les observations actuelles ne permettent pas encore de déterminer quelle part de la croissance des premiers trous noirs provient de chacun de ces mécanismes. 83

Ce que les prochaines observations devront vérifier

L’application de cette méthode pixel par pixel à des relevés James-Webb plus vastes et plus profonds permettra de mesurer plus précisément la fréquence des compagnons proches. Les chercheurs pourront notamment étudier son évolution avec le décalage vers le rouge et la luminosité, puis déterminer si les fusions sont assez fréquentes pour représenter un canal majeur de croissance. 8

Ces mesures pourraient aussi améliorer les estimations du nombre de systèmes binaires de trous noirs dans l’Univers jeune et aider à préparer les prévisions de détection pour de futurs observatoires d’ondes gravitationnelles spatiaux, comme LISA, ainsi que pour les projets de détecteurs dans le domaine du décihertz. 5

Pour l’instant, la découverte constitue surtout un indice solide d’un excès de paires de LRD très rapprochées. Elle ne prouve pas encore que ces objets sont des trous noirs en train de fusionner et ne constitue pas une détection de leurs ondes gravitationnelles. 8