Les observations du télescope spatial James Webb suggèrent que les étoiles les plus anciennes de l'univers pourraient avoir été des étoiles noires supermassives alimentées par l'annihilation de matière noire plutôt que par la fusion nucléaire. Une nouvelle étude identifie quatre objets distants correspondant à cette description, expliquant potentiellement les galaxies précoces brillantes et les trous noirs supermassifs. Ces découvertes s'appuient sur des théories proposées il y a plus d'une décennie.
Dans l'univers primitif, environ 300 millions d'années après le Big Bang, les premières étoiles se sont formées à partir de nuages d'hydrogène et d'hélium. Une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences le 14 octobre 2025, dirigée par Cosmin Ilie de l'Université de Colgate, avec Shafaat Mahmud, Jillian Paulin et Katherine Freese, a analysé les données du JWST pour identifier quatre candidats à des étoiles noires supermassives.
Ces objets — JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-z13-0 et JADES-GS-z11-0 —, à des redshifts allant jusqu'à 14, présentent des signatures spectrales cohérentes avec des étoiles noires supermassives. « Les étoiles noires supermassives sont extrêmement lumineuses, géantes, mais des nuages gonflés composés principalement d'hydrogène et d'hélium, qui sont soutenus contre l'effondrement gravitationnel par de petites quantités de matière noire s'annihilant elle-même à l'intérieur », a expliqué Ilie.
Le concept est né d'un article de 2008 dans Physical Review Letters par Freese, Doug Spolyar et Paolo Gondolo, avec des extensions en 2010 détaillant comment de telles étoiles pourraient devenir massives et s'effondrer en trous noirs supermassifs. Une étude PNAS de 2023 avait précédemment signalé des candidats en utilisant des données photométriques ; désormais, l'analyse spectroscopique avec le NIRSpec du JWST confirme la compatibilité.
Freese, directrice de l'Institut Weinberg à l'UT Austin, a noté : « Pour la première fois, nous avons identifié des candidats à des étoiles noires supermassives spectroscopiques dans le JWST, y compris les objets les plus anciens à redshift 14, seulement 300 millions d'années après le Big Bang. Pesant un million de fois la masse du Soleil, de telles étoiles noires précoces sont importantes non seulement pour nous enseigner sur la matière noire, mais aussi comme précurseurs des trous noirs supermassifs précoces observés dans le JWST. »
Une caractéristique clé est une ligne d'absorption à 1640 angströms due à l'hélium ionisé, observée dans JADES-GS-z14-0 avec un rapport signal-bruit d'environ 2. Ilie l'a décrite comme une « signature de fusil encore fumant ». Les observations ALMA du même objet ont détecté une émission d'oxygène, suggérant un environnement riche en métaux, possiblement issu d'une fusion ou d'une co-formation avec des étoiles ordinaires.
Ces étoiles noires, alimentées par des Particules Massives Faiblement Interactives (WIMPs) s'annihilant dans des halos de matière noire, pourraient résoudre des énigmes comme les galaxies précoces inattendument brillantes et les origines des trous noirs de quasars distants.