Ce que l’Univers dissimule à la lumière

Dans l’Univers jeune, l’essentiel se passait peut-être dans le noir. Une équipe d’astrophysiciens du MIT Kavli Institute, conduite par Teodora-Elena Bulichi, vient de scruter avec l’instrument infrarouge du télescope James Webb un fragment de ciel à peine plus grand que le trou d’une aiguille — 131 minutes d’arc carrées sur la voûte céleste totale — et d’y identifier 883 noyaux galactiques actifs répartis sur l’ensemble de l’histoire cosmique. Ce qu’ils ont trouvé dans les époques les plus reculées révèle une erreur structurelle dans notre représentation du cosmos : entre 98 et 99 % de ces trous noirs en pleine croissance étaient alors enveloppés de poussière. Invisibles pour nos instruments habituels. Absents de notre recensement. Pourtant bien là.

Ce chiffre mérite qu’on s’y arrête. Dans l’Univers local, les études en rayons X estiment que la fraction de noyaux galactiques actifs obscurcis oscille entre 20 et 50 %. Ce n’est donc pas seulement que l’Univers jeune cachait davantage de trous noirs actifs — c’est qu’il semblait organisé pour le faire. Comme si la phase la plus intense de construction cosmique s’était délibérément tenue hors de portée de nos regards.

Il y a à cela une raison profonde, que la cosmologie cherche à élucider depuis plusieurs décennies. Lorsque les astronomes pointent leurs instruments vers les régions les plus reculées de l’Univers — celles qui correspondent, en raison du temps que met la lumière à nous parvenir, aux premiers milliards d’années de son histoire —, ils découvrent des trous noirs d’une masse proprement vertigineuse : un milliard, parfois plusieurs milliards de fois celle du Soleil. On les appelle « quasars », du nom de ces noyaux de galaxies si lumineux qu’ils surpassent l’éclat de centaines de milliards d’étoiles réunies. Le paradoxe n’est pas leur existence. C’est leur précocité.

Comment un trou noir peut-il atteindre de telles proportions lorsque l’Univers n’a que quelques centaines de millions d’années d’existence ? Dans le scénario standard, un trou noir grossit en avalant de la matière — processus que les physiciens appellent « accrétion », terme qui désigne l’accumulation progressive de gaz et de poussières autour d’un objet central. Ce mécanisme est intrinsèquement lent. Même dans les conditions les plus favorables, en supposant que le trou noir ingère de la matière à la vitesse maximale que la physique lui autorise — ce que l’on appelle la « limite d’Eddington », du nom de l’astrophysicien britannique Arthur Eddington —, il faut des centaines de millions, voire des milliards d’années pour bâtir un objet d’un milliard de masses solaires. L’Univers jeune n’avait tout simplement pas eu ce temps.

Deux réponses ont été proposées pour résoudre ce casse-tête. Soit les trous noirs primitifs ont accrété de la matière à des taux dépassant la limite d’Eddington — des régimes dits « super-Eddington » où la croissance s’accélère au prix d’une moindre dissipation d’énergie. Soit une fraction considérable de cette croissance s’est produite à l’abri des regards. Non par métaphore : littéralement dissimulée derrière des voiles de poussière. C’est cette seconde hypothèse que l’enquête MEOW commence à documenter.

Voici ce qui se passe dans un noyau galactique actif obscurci. Un trou noir supermassif engloutit de la matière à un rythme effréné et libère en retour des quantités considérables d’énergie. Mais cette énergie, au lieu de s’échapper librement sous forme de lumière ultraviolette ou de rayons X, est absorbée par d’épaisses colonnes de gaz et de poussières qui enveloppent le noyau comme un cocon. La poussière avale cette lumière et la réémet sous une autre forme — transformée, dégradée, rayonnant désormais dans la partie du spectre électromagnétique que l’on appelle l’infrarouge moyen.

Ce rayonnement thermique, imperceptible à l’œil nu, est précisément ce que l’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) du télescope James Webb est conçu pour détecter. La comparaison avec une caméra thermique s’impose : de même qu’une caméra thermique voit à travers le brouillard la chaleur d’un corps humain là où un appareil photographique ordinaire ne percevrait que du gris uniforme, MIRI perçoit la signature calorifique des trous noirs dévorants là où Hubble n’apercevait que le silence. Mais l’analogie a une limite instructive : une caméra thermique terrestre opère dans un environnement lui-même chaud et ne s’en embarrasse guère. MIRI, pour ne pas se noyer dans son propre rayonnement thermique, doit être refroidi à moins 266 degrés Celsius — à moins de sept degrés au-dessus du zéro absolu. Ce n’est pas qu’une contrainte technique ; c’est la condition de possibilité d’une nouvelle façon de voir.

L’enquête elle-même — baptisée MEOW, acronyme de MIRI Early Obscured AGN Wide Survey, ce qui constitue, pour des astronomes travaillant sur les phénomènes parmi les plus violents du cosmos, un choix de nomenclature d’une légèreté bienvenue — couvre la plage temporelle z = 0 à z ≈ 6. Ce paramètre z, dit « décalage vers le rouge », mesure l’étirement de la lumière dû à l’expansion cosmique et constitue donc une mesure du temps cosmique : z = 0 correspond à l’Univers actuel, z ≈ 6 aux premières centaines de millions d’années après le Big Bang.

Un arrêt s’impose ici, car confondre ce qui est mesuré avec ce qui est conclu serait une erreur caractéristique de la vulgarisation pressée.

La fraction de 98-99 % d’AGN obscurcis dans l’Univers primordial n’est pas le résultat d’une observation directe de chaque trou noir voilé — elle est inférée par comparaison entre la fonction de luminosité totale mesurée en infrarouge et celle des quasars non obscurcis, établie à partir d’observations optiques antérieures. Cette comparaison repose sur un choix de référence — la fonction de luminosité de Kulkarni et al. (2019) —, et les auteurs eux-mêmes précisent que leurs résultats sont « fortement sensibles à ce choix », notamment dans les régions de faible luminosité où la référence est extrapolée plutôt que mesurée. Que la fraction soit très élevée est probable ; sa valeur exacte reste incertaine.

Ce que MIRI parvient à atteindre va cependant au-delà de ce que les études en rayons X avaient permis d’estimer. Les AGN les plus obscurcis — ceux que les physiciens qualifient de « Compton-épais », en référence au physicien américain Arthur Compton et aux processus de diffusion qui rendent ces objets opaques même aux photons de haute énergie — résistent à la détection par les satellites X. Des études radio publiées simultanément suggèrent que leur nombre aurait été sous-estimé d’un facteur deux à trois dans les modèles du fond diffus X cosmique. Ce sont précisément ces objets que MIRI commence, prudemment, à recenser.

À ce tableau vient s’ajouter une autre famille d’objets que JWST a mis en évidence ces dernières années : des sources mystérieuses surnommées « petits points rouges » — Little Red Dots, dans la nomenclature anglophone. Une étude de Scholtz et al., publiée simultanément, suggère qu’ils pourraient s’expliquer comme des régions d’émission larges stratifiées au sein d’AGN eux-mêmes enfouis sous la poussière, sans invoquer aucun exotisme particulier. Si cette interprétation se confirme, elle converge vers le tableau que MEOW esquisse : un Univers primordial peuplé de trous noirs voraces dissimulés derrière d’épais rideaux de matière, dont JWST serait le premier instrument suffisamment sensible pour commencer à lever le voile.

Ce biais observationnel n’est pas une curiosité de spécialiste. Si la fraction d’AGN obscurcis croît effectivement avec le décalage vers le rouge comme les données de MEOW le suggèrent, alors le bilan complet de la croissance des trous noirs supermassifs à travers les âges cosmiques doit être révisé. Les vastes constructions théoriques que les astrophysiciens ont élaborées pour rendre compte de la formation des galaxies ont longtemps été calibrées sur une image tronquée de la réalité — comme si l’on prétendait reconstituer l’histoire d’une ville en ne consultant que ses façades, sans jamais pénétrer dans les arrière-cours où se joue l’essentiel. Ce que James Webb offre, ce n’est pas simplement plus de puissance optique : c’est l’accès à une fenêtre spectrale qui était pratiquement fermée, et avec elle, l’accès à une période de l’histoire cosmique que nous croyions connaître sans l’avoir véritablement vue.

Reste une question, et elle est plus profonde que celle à laquelle MEOW vient partiellement de répondre. Pourquoi l’Univers primordial était-il si poussiéreux ? La poussière cosmique est composée de silicates et de carbone — des atomes que seules les étoiles savent forger dans leurs creusets nucléaires. Pour qu’il y ait autant de poussière si tôt dans l’histoire du cosmos, il faut que des générations entières d’étoiles aient eu le temps de naître, brûler et mourir avant même que ces trous noirs géants ne commencent leur croissance dissimulée. Une cosmologie antérieure, plus ancienne encore, que nous entrevoyons à peine.

D’où vient cette première poussière ? Nul ne le sait. Et les trous noirs qui se cachaient derrière — par quoi ont-ils commencé ? Mystère.

Sources

• Aurélien Rouquet, Pierre Lescoat, Antoine Souchaud et al., “Dynamiser le commerce de centre-ville : typologies des logiques organisationnelles suivies par les villes françaises”, Gestion et management public, 2050. DOI: 10.3917/gmp.pr1.0024
• Antony Kuhn, Audrey Leininger, “Le leadership du chef d’établissement d’enseignement : proposition d’une définition, d’une typologie et d’une échelle de mesure”, Gestion et management public, 2050. DOI: 10.3917/gmp.pr1.0021
• Muriel Michel-Clupot, Serge Rouot, “Les métropoles françaises pratiquent-elles une gouvernance de Smart City  ? Une évaluation par leur Système d’Information Financier Extra-Organisationnel (SIFEO)”, Gestion et management public, 2050. DOI: 10.3917/gmp.pr1.0013
• Christine Dutrieux, Corinne Grenier, “Le compromis dans un groupe-projet pluraliste : les activités du courtier de Mondes dans l’élaboration de convention de compromis”, Gestion et management public, 2050. DOI: 10.3917/gmp.pr1.0016
• Angélique Maquart, Laëtitia Lethielleux, “Gouvernance publique hospitalière : entre paradoxes et tensions. Le point de vue des cadres de santé”, Gestion et management public, 2050. DOI: 10.3917/gmp.pr1.0011