Des observations du télescope spatial James Webb (NASA/ESA/CSA) ont permis pour la première fois de mesurer directement la masse d’un trou noir dans l’Univers primordial, avec des résultats qui bouleversent les scénarios classiques de formation de ces objets. Les données, issues de l’étude de la galaxie naine Abell2744-QSO1 située à plus de 13 milliards d’années-lumière de la Terre, indiquent que le trou noir central, d’une masse équivalente à 50 millions de fois celle du Soleil, s’est formé avant la galaxie qui l’entoure.

Des origines remontant au premier instant de l’Univers

Les chercheurs ont utilisé les capacités d’imagerie et de spectroscopie du Webb pour cartographier le mouvement et la composition du gaz en orbite autour du trou noir. Leurs travaux, publiés dans deux articles distincts (dans les revues Nature et Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), suggèrent que ce trou noir aurait pu se former dans la première seconde après le Big Bang, sans passer par l’effondrement d’une étoile massive. « C’est une découverte remarquable, un changement de paradigme qui nous oblige à repenser entièrement les scénarios classiques de la formation et de la croissance des trous noirs », a déclaré Roberto Maiolino, co-auteur des études et chercheur à l’université de Cambridge, au Royaume-Uni.

Un débat scientifique relancé

Jusqu’à présent, la plupart des modèles supposaient que les trous noirs se formaient après l’apparition des premières étoiles, au sein de galaxies déjà constituées. Les étoiles massives s’effondrent en trous noirs, qui grossissent ensuite en absorbant de la matière environnante et en fusionnant entre eux. Mais cette explication peine à justifier l’existence de trous noirs géants – des millions ou milliards de masses solaires – dans l’Univers jeune, faute de temps suffisant pour une telle croissance.

La nouvelle observation apporte une preuve directe que certains trous noirs supermassifs étaient « immenses dès le départ », sans avoir besoin d’une galaxie hôte massive pour les alimenter. Cette découverte conforte l’hypothèse dite des « trous noirs primordiaux », qui se seraient formés directement à partir d’effondrements de nuages de gaz primordiaux dans les tout premiers instants cosmiques.

Une mesure inédite de la masse

Abell2744-QSO1 est une galaxie dite « petit point rouge », une catégorie d’objets compacts et très lumineux observés par Webb dans l’Univers lointain. Grâce à la spectroscopie à intégrale de champ de l’instrument NIRSpec, l’équipe a pu mesurer la vitesse du gaz ionisé dans le disque d’accrétion du trou noir, ce qui a permis de déterminer sa masse avec une précision jamais atteinte pour un objet aussi ancien.

« C’est la première fois que nous pouvons peser directement un trou noir dans l’Univers primordial, et le résultat est stupéfiant », ajoute Roberto Maiolino. « Ce trou noir était déjà massif alors que sa galaxie était encore en train de se former. »

Implications pour les futurs modèles

Cette découverte pourrait avoir des conséquences majeures sur la compréhension de l’évolution cosmique. Si les trous noirs primordiaux sont courants, ils pourraient expliquer la présence des quasars très brillants observés moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Les prochaines observations du Webb, combinées à celles du futur télescope spatial Euclid, devraient permettre de multiplier ce type de mesures pour mieux contraindre les mécanismes de formation des trous noirs supermassifs.

Les chercheurs soulignent que ce résultat ne remet pas en cause l’existence des trous noirs d’origine stellaire, mais suggère qu’au moins une partie des trous noirs les plus massifs a pu emprunter une voie de formation différente, bien plus précoce.