Le dilemme cosmique de l’œuf ou de la poule : les étoiles ou les trous noirs sont-ils apparus en premier ?

Nous vivons dans des situations où ce dilemme peut s'appliquer : qu'est-ce qui est venu en premier, la poule ou l'œuf ? Je vais ici aborder un problème très actuel, dans le domaine de l'astrophysique, concernant les processus de formation des galaxies. Nous approfondissons ce sujet. Nous présentons le problème à l'aide de concepts télégraphiques, déjà abordés, et nous invitons le lecteur à se référer aux autres articles de cette section.

Les galaxies n'ont pas toujours existé. Il fut un temps, il y a près de 13 milliards d'années, où il n'y avait pas d'étoiles, juste une soupe de matière, de lumière et d'énergie noire . Un univers non statique n'était pas du goût d'Einstein, mais ses propres équations – entre les mains de Lemaître, Leavitt et Hubble – lui ont prouvé le contraire.

Les galaxies sont en train de mourir. Des galaxies comme la nôtre, ces magnifiques galaxies spirales et elliptiques proches, sont en train de mourir – ou sont déjà bien mortes. Il suffit de comparer le nombre d'étoiles qui se forment aujourd'hui avec celui qu'elles abritent. Le calcul est incohérent : au rythme actuel, il faudrait plusieurs vies à la Voie lactée pour former celles qu'elle possède déjà. Par conséquent, les galaxies du passé ont dû être beaucoup plus actives en matière de formation d'étoiles, ce que nous avons confirmé en étudiant l'Univers lorsqu'il avait environ la moitié de son âge actuel.

Quelque chose arrête la formation des étoiles. Puisque seul un faible pourcentage de la matière disponible – principalement de l'hydrogène – finit par devenir des étoiles, quelque chose doit interrompre ce processus. Et le coupable , selon la théorie la plus largement acceptée par les astrophysiciens, est le trou noir supermassif qui habite le cœur de toutes les galaxies. Ces trous noirs supermassifs ont généralement une masse égale à un millième de celle de leur galaxie hôte, et pourtant ils exercent une influence extraordinaire sur l'évolution du cosmos.

Cette théorie établit qu'à un moment donné dans l'univers primitif, peut-être 100 ou 200 millions d'années après le Big Bang – nous ne savons toujours pas exactement quand – les premières étoiles ont commencé à se former lorsque le gaz primordial (principalement de l'hydrogène, mais aussi un peu d'hélium et une très petite quantité d'autres éléments comme le lithium ) s'est condensé. C'est ainsi que sont nées les premières galaxies, où, d'une manière ou d'une autre, des trous noirs supermassifs sont apparus et ont grandi. Par des processus que nous appelons rétroaction négative, ces trous noirs supermassifs ont fini par empêcher le gaz de conserver les propriétés nécessaires à la formation d'étoiles, car l'énergie libérée par le trou noir empêche le gaz de se condenser en galaxies. Nous aurions donc un processus de formation d'étoiles, puis la formation d'un trou noir supermassif, et finalement, cela arrêterait la formation d'étoiles.

Mais le télescope spatial JWST modifie cette vision peut-être très naïve. Nous découvrons une multitude de galaxies très lointaines – c'est-à-dire des galaxies qui existaient lorsque l'univers était très jeune – qui possédaient déjà des trous noirs supermassifs. Et elles étaient très, très grandes lorsque l'univers avait moins de 10 % de son âge actuel ! Même parmi, disons, les dix galaxies les plus lointaines que nous connaissons, dont la distance est pleinement confirmée, la moitié pourraient avoir des trous noirs aussi massifs que la Voie lactée elle-même – environ un million de soleils, voire un peu plus. Ils sont si grands que leur masse pourrait être supérieure à celle, quasi-stellaire, des galaxies hôtes de ce jeune univers. Notez le conditionnel : nous vérifions encore nos calculs. Nous avons également découvert des objets qui pourraient avoir des masses encore plus importantes un peu plus tard, dans les premiers 15 % de l'histoire de l'univers, les « petits points rouges » . Il est très difficile d'expliquer comment des trous noirs aussi grands ont pu se former en si peu de temps, et dans des galaxies comptant si peu d'étoiles.

Et voici le dilemme de l'œuf et de la poule. Le processus a-t-il vraiment consisté à former des étoiles, puis à créer des trous noirs, puis à croître, et enfin à stopper la formation d'étoiles ? Ou peut-être les trous noirs ont-ils précédé les premières étoiles, puis les soleils ont commencé à se former, puis les trous noirs ont grandi, et enfin les galaxies ont disparu ? Appelons les trous noirs l'œuf et les étoiles la poule, ou l'inverse.

La question n'est pas anodine. Si les trous noirs supermassifs étaient présents avant les étoiles, peut-être ont-ils favorisé la formation des soleils, pour finalement faire exactement l'inverse, en empêchant la formation d'autres. Si les trous noirs étaient déjà présents, leur origine ne peut être stellaire, origine pour laquelle nous disposons de nombreuses données ; nous savons quelles étoiles forment les trous noirs (mais minuscules comparées à ces étoiles supermassives). Alors, que s'est-il passé ? Ont-ils toujours existé ? Se sont-ils formés selon un processus encore non observé, et peut-être totalement inconnu, ou connu mais non prouvé ?

Le dilemme de l'œuf et de la poule n'est pas nouveau. Il semble qu'Aristote l'ait déjà abordé, dans sa quête d'identification des causes et des effets et de recherche du premier moteur immobile. Toutes les poules proviennent d'œufs, et tous les œufs produisent des poules. Il ne semble pas possible d'avoir l'un sans l'autre et vice versa, laissant de côté les dissertations sur l'évolution des espèces (oui, il y avait des œufs avant les poules). Il existe une suite infinie, et Aristote en a conclu qu'il n'y a pas d'origine ; rien ne peut précéder cette suite. Si rien ne peut précéder, alors nous remettons en question la notion de temps. D'ailleurs, Plutarque semble s'être demandé, en réfléchissant au même problème, si le monde a eu un commencement. Et de là, nous pouvons passer à la discussion sur la création et nous plonger dans la théologie. Ce n'est pas mon domaine d'expertise, ni celui de cette section.

La section « Vide cosmique » présente notre connaissance de l'univers en termes qualitatifs et quantitatifs. Elle vise à expliquer l'importance de comprendre le cosmos non seulement d'un point de vue scientifique, mais aussi philosophique, social et économique. Le terme « vide cosmique » fait référence au fait que l'univers est, et est, en grande partie, vide, avec moins d'un atome par mètre cube, malgré le fait que, paradoxalement, il y en a des quintillions par mètre cube dans notre environnement, ce qui invite à la réflexion sur notre existence et la présence de la vie dans l'univers. La section est composée de Pablo G. Pérez González , chercheur au Centre d'astrobiologie, et d'Eva Villaver , directrice adjointe de l'Instituto de Astrofísica de Canarias.