Depuis la publication des premières images scientifiques du télescope spatial James-Webb (JWST) en juillet 2022, les astronomes ont pris l'habitude des surprises. Mais l'une d'elles s'avère particulièrement tenace : des dizaines, puis des centaines de sources extrêmement compactes et très rouges, invisibles pour le télescope Hubble, se sont mises à apparaître dans presque tous les grands relevés du nouvel observatoire. Les chercheurs les ont surnommées, faute de mieux, les « little red dots » — les petits points rouges.
Trois ans plus tard, ce qui ressemblait à une curiosité de catalogue est devenu l'un des dossiers les plus disputés de l'astrophysique extragalactique. Une revue publiée dans The Conversation, reprise en français après une version espagnole, résume l'hypothèse qui gagne du terrain : ces objets seraient des quasars en formation, c'est-à-dire des galaxies jeunes dont le trou noir central grossit à un rythme effréné. Si l'interprétation tient, elle touche directement à une énigme vieille de deux décennies : comment des trous noirs de plusieurs centaines de millions, voire de milliards de masses solaires, ont-ils pu se constituer alors que l'Univers n'avait que quelques centaines de millions d'années?
Une anomalie de couleur devenue un problème de fond
L'histoire commence par un détail technique. Les petits points rouges se caractérisent par une signature spectrale en « V » : ils sont bleus dans l'ultraviolet, très rouges dans l'infrarouge proche, et pratiquement ponctuels. Cette combinaison est étrange. Une galaxie ordinaire remplie de poussière serait rouge partout; une galaxie jeune et sans poussière serait bleue partout.
Plusieurs équipes, dont celles associées aux relevés CEERS, JADES et COSMOS-Web, ont rapidement montré que ces sources se concentrent dans une fenêtre cosmique bien précise, autour de décalages vers le rouge de 4 à 8 — soit un Univers âgé de 600 millions à 1,5 milliard d'années. Elles semblent ensuite disparaître presque complètement. Cette brièveté est en soi une information : il s'agirait d'une phase de vie, non d'une population permanente.
Le basculement est venu de la spectroscopie. Les spectres obtenus avec l'instrument NIRSpec révèlent, dans une bonne partie de ces objets, des raies d'émission de l'hydrogène très élargies — signature classique d'un gaz tournant à des milliers de kilomètres par seconde autour d'un objet massif. Autrement dit, un noyau actif de galaxie. Des travaux publiés notamment dans The Astrophysical Journal et relayés par Nature ont estimé, à partir de ces raies, des masses de trous noirs anormalement élevées par rapport à la lumière stellaire environnante : dans certains cas, le trou noir représenterait plusieurs pour cent de la masse en étoiles de sa galaxie hôte, contre environ 0,1 % dans l'Univers local.
Deux scénarios rivaux pour fabriquer un géant
C'est ici que le débat théorique se cristallise. Deux grandes familles de scénarios s'affrontent depuis longtemps pour expliquer l'origine des trous noirs supermassifs.
Le premier — les « graines légères » — postule que tout part des résidus des premières étoiles, celles de population III, mortes en supernovas il y a plus de 13 milliards d'années. Ces cadavres stellaires, de quelques dizaines à quelques centaines de masses solaires, grossiraient ensuite par accrétion de gaz et par fusions successives. Le problème est chronométrique : même en accrétant à la limite d'Eddington — le régime où la pression de la lumière émise contrebalance la gravité —, il faut beaucoup de temps pour passer de 100 à un milliard de masses solaires. Les quasars les plus lointains connus, comme ceux repérés avant le JWST par les relevés au sol, laissaient déjà peu de marge.
Le second scénario — les « graines lourdes » — propose un raccourci : l'effondrement direct d'un immense nuage de gaz primordial, sans passer par la case étoile, produisant d'emblée un objet de 10 000 à 100 000 masses solaires. Ce mécanisme exige des conditions particulières : un gaz pratiquement dépourvu d'éléments lourds, chauffé par un rayonnement ultraviolet voisin qui empêche la formation de molécules d'hydrogène et donc la fragmentation en étoiles. Rare, mais pas impossible.
Les petits points rouges, avec leurs trous noirs surdimensionnés par rapport à leurs étoiles, plaident plutôt en faveur de la seconde option — ou, à tout le moins, d'une croissance en régime super-Eddington, plus rapide que la limite théorique classique. Certaines équipes ont avancé l'idée d'« étoiles à trou noir » : un trou noir enveloppé d'une atmosphère de gaz dense qui absorberait et réémettrait le rayonnement, ce qui expliquerait à la fois la couleur en « V » et l'absence quasi totale d'émission de rayons X détectée par les observatoires Chandra et XMM-Newton — une absence qui reste, il faut le dire, l'un des principaux arguments des sceptiques.
Ce qui cloche encore
Car rien n'est réglé. Plusieurs objections sérieuses circulent dans la communauté.
D'abord, la discrétion en rayons X. Un quasar en croissance rapide devrait briller intensément dans cette bande. Les explications avancées — obscurcition extrême par du gaz épais, géométrie particulière du disque d'accrétion — restent des hypothèses à valider.
Ensuite, la possibilité que les raies larges ne viennent pas d'un trou noir. Des amas d'étoiles ultra-denses, ou des vents stellaires très rapides, pourraient produire des signatures comparables. Certaines équipes ont d'ailleurs proposé que les petits points rouges soient simplement des galaxies compactes en flambée de formation stellaire, ce qui ramènerait le dossier à un problème d'interprétation plutôt qu'à une révolution.
Enfin, il y a la question des biais de sélection. Le JWST est extraordinairement sensible dans l'infrarouge, ce qui pourrait faire ressortir une population que Hubble ne pouvait tout simplement pas voir, sans qu'elle soit pour autant représentative. Établir une fonction de masse fiable des trous noirs de l'Univers primitif suppose de bien connaître ce que l'on rate.
L'apport canadien : NIRISS et le FGS
Le Canada n'est pas spectateur dans cette histoire. L'Agence spatiale canadienne a fourni au JWST deux éléments essentiels : le détecteur de guidage de précision (FGS), qui permet au télescope de pointer avec une stabilité de l'ordre du millième de seconde d'arc — condition sine qua non pour les poses très longues nécessaires à ce type d'objets faibles —, et l'imageur dans l'infrarouge proche et spectrographe sans fente NIRISS.
En contrepartie de cette contribution, la communauté scientifique canadienne dispose d'une part garantie du temps d'observation du télescope. NIRISS s'avère particulièrement utile ici : son mode de spectroscopie sans fente à champ large permet d'obtenir simultanément le spectre de tous les objets d'un champ, ce qui est précieux pour repérer des candidats rares sans les avoir présélectionnés — une méthode qui limite justement certains biais de sélection.
Du côté québécois, l'Institut de recherche sur les exoplanètes de l'Université de Montréal, dirigé par René Doyon — également chercheur principal de NIRISS et du FGS —, demeure un pôle canadien majeur pour l'exploitation du télescope, même si son expertise porte davantage sur les mondes lointains que sur les quasars primitifs. Le Centre de recherche en astrophysique du Québec, qui regroupe des équipes de l'Université de Montréal, de McGill, de l'Université Laval et de Bishop's, participe pour sa part à plusieurs volets de l'astrophysique extragalactique et de la physique des trous noirs.
Pourquoi ça compte pour les modèles de galaxies
L'enjeu dépasse la sociologie des trous noirs. Dans les modèles actuels de formation des galaxies, la croissance du trou noir central et celle de la galaxie hôte sont censées se réguler mutuellement : le rayonnement et les jets issus du noyau actif chauffent et expulsent le gaz, freinant la formation d'étoiles. C'est ce qu'on appelle la coévolution, et elle explique la relation observée dans l'Univers proche entre masse du trou noir et masse du bulbe galactique.
Si les petits points rouges confirment l'existence, dans l'Univers jeune, de trous noirs largement en avance sur leurs galaxies, il faudra revoir l'ordre des opérations : le trou noir pourrait précéder la galaxie plutôt que grandir avec elle. Les simulations cosmologiques de grande échelle devraient alors être recalibrées, et avec elles les prédictions sur la réionisation de l'Univers et sur le fond d'ondes gravitationnelles produit par les fusions de trous noirs supermassifs — un signal que les réseaux de chronométrage de pulsars, dont le canadien CHIME, cherchent à contraindre.
Les vérifications à venir
Que faudra-t-il pour trancher? Les astronomes citent quelques pistes convergentes. Des observations en rayons X plus profondes, ou des limites plus contraignantes, permettraient de dire si l'absence de signal est réelle ou instrumentale. Le suivi de la variabilité — un noyau actif fluctue en luminosité, pas un amas d'étoiles — constitue un test discriminant que plusieurs programmes JWST mettent déjà en œuvre.
La spectroscopie à plus haute résolution, notamment avec l'instrument MIRI dans l'infrarouge moyen, doit préciser la géométrie du gaz et la présence éventuelle de poussière chaude. Enfin, les observations millimétriques du réseau ALMA, au Chili, cherchent à mesurer le gaz froid et la dynamique des hôtes.
En attendant, la prudence reste de mise. L'histoire de l'astronomie regorge de populations d'objets « inexplicables » qui se sont révélées, après quelques années de données supplémentaires, plus banales qu'annoncé. Mais elle compte aussi des cas — les quasars eux-mêmes, dans les années 1960 — où une anomalie tenace a fini par ouvrir un chapitre entier de la physique.