Les étoiles noires

Les dernières observations du télescope spatial James-Webb mettent sur le devant de la scène ces étoiles d’un nouveau genre, énormes, quasi-immortelles, et alimentées par la matière noire. 

par Simon Devos, publié le 01 juillet 2026

Le concept est fou. Si extravagant que même les auteurs de science-fiction les plus audacieux ne l’avaient pas vu venir. Il y a bien le film de John Carpenter de 1974, et l’étoile de la mort de Star Wars – cette arme capable de détruire une planète tout entière est surnommée étoile noire dans la première traduction française – mais cela n’a rien à voir avec les astres étranges qui secouent aujourd’hui la communauté des astrophysiciens. “Ce sont des étoiles énormes qui rassemblent jusqu’à plusieurs millions de fois la masse du Soleil dans un volume tout aussi gigantesque. Elles ne sont pas extrêmement chaudes, seulement 20 000 à 40 000 °C en surface. Ce sont des étoiles à l’intérieur desquelles la fusion nucléaire ne s’est jamais enclenchée, et qui seraient alimentées par l’annihilation de particules de matière noire”, décrit Katherine Freese, pionnière du concept à l’université du Texas. 

Voilà le secret de l’oxymore : les étoiles noires ne sont pas particulièrement plus sombres que les autres, ce sont des astres dont l’énergie proviendrait de la matière noire… cette substance obscure, dont on ne sait rien, dont l’existence a été pressentie dans les années 1930, puis étayée dans les années 1970 par les observations de l’astronome américaine Vera Rubin. C’est elle qui remarque alors que les étoiles situées en périphérie des galaxies tournent plus vite que ne le prévoit la théorie.

Dans l’œil de JWST

Tout est parti de là, à la fin des années 1980, de travaux théoriques sur la matière noire. ”Notre but était d’enquêter sur le comportement de ces particules, raconte Pierre Salati, de l’université Savoie Mont Blanc. Nous développions toute une panoplie de méthodes pour tenter de les détecter : essayer de les générer dans des accélérateurs de particules, trouver les traces de leurs interactions avec la matière ordinaire… Et nous avons eu l’idée d’une nouvelle voie : traquer le dégagement d’énergie dû à leur annihilation, qui pourrait survenir dans le cœur des étoiles.” Quelques articles, des calculs théoriques laissés sans suite, ou presque. Jusqu’aux travaux de Katherine Freese en 2007, qui relancent l’idée : “Nous nous intéressions aux situations extrêmes, comme celle du tout début de l’Univers, explique la chercheuse. Et c’est là que le concept nous est apparu plausible. ” C’est là aussi que surgit le terme “étoile noire” – une référence épique au morceau éponyme des Grateful Dead.

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Le scénario se tient : oui, au tout début de l’Univers, juste après le Big Bang, il y a près de 13,7 milliards d’années, des étoiles de matière noire auraient pu se former, “quand tout était plus serré et plus dense”, décrit Katherine Freese. “On pense que la matière était composée quasi-exclusivement des éléments les plus légers qui soient, l’hydrogène et l’hélium, qui formaient des nuages gigantesques. La matière noire, plus massive, devait s’agglutiner pour générer des surdensités : des halos. La gravitation aidant, le gaz se serait aggloméré tout autour, formant petit à petit des astres démesurément gros”, déroule Julien Lavalle, directeur de recherche CNRS au Laboratoire Univers et particules de Montpellier. Car si la matière noire est bien composée de particules massives – ces wimps, pour weakly interactive massive particles, imaginés par les physiciens –, elle serait capable de s’auto-annihiler dans un flash énergétique. De grandes quantités d’énergie auraient donc pu commencer à émerger du cœur de ces halos, empêchant le gaz de s’effondrer totalement pour lancer les réactions de fusion nucléaire. Un équilibre se serait créé entre la gravitation et la pression de radiation issue de cette énergie cherchant à s’échapper. “Les calculs que nous avons menés depuis montrent qu’elles seraient composées d’à peine 1 % de matière noire, précise Cosmin Ilie, qui les étudie à l’université Colgate, à Hamilton, aux états-Unis. Mais cette manne suffirait amplement pour faire briller une étoile puisque le taux de conversion de masse en énergie des réactions d’annihilation avoisine les 100 %, contre environ 7 % pour la fusion nucléaire. ”

“C’est du sérieux, nous sommes peut-être à l’aube d’un bouleversement en physique”Pierre Salati, université Savoie Mont Blanc

Des particules inconnues aux propriétés étranges qui, en s’auto-annihilant, forgeraient des astres bizarres, aussi gros que froids, rougeâtres probablement ; un Univers peuplé de monstres sombres incroyablement énergétiques. Tout à coup, c’est une autre genèse de l’Univers qui se dessine, structurée par des astres noirs. Une genèse qui résonne avec les observations du fleuron de l’astronomie, le télescope James-Webb (JWST) qui, depuis quatre ans, du haut de son orbite autour du Soleil, plonge toujours plus loin, toujours plus profond dans le cosmos. 500 millions d’années après le Big Bang, 300 millions d’années, moins de 200 aujourd’hui… les clichés captés par JWST ne cessent de surprendre les astronomes. Tout semble s’être passé plus vite que prévu. 

“Des galaxies impossibles”

Partout dans l’univers primordial, le télescope voit des galaxies étonnamment matures ; des trous noirs déjà supermassifs ; des nuages denses de poussières… Comment de tels continents cosmiques, de tels astres ont-ils pu se former en quelques dizaines de millions d’années ? Comment la matière s’est-elle concentrée si vite ? En point d’orgue, JWST distingue d’étranges points rougeâtres, des lueurs bien localisées en toile de fond de ses observations les plus profondes. De petites taches qui ressemblent à des galaxies primordiales immenses, extrêmement massives. “Ces observations nous laissent totalement perplexes : nous avons beau refaire les calculs, nous n’arrivons toujours pas à expliquer comment des galaxies ont pu grandir autant en un temps si court”, résume Malcolm Fairbairn, du King’s College de Londres. Et ce n’est pas un détail isolé dans le tableau : plus de 300 de ces “galaxies impossibles du James-Webb” ont été répertoriées.

Et si les étoiles noires étaient responsables de cette accélération dans la création du cosmos ? Et si les points rouges étaient des étoiles noires ? La question monte depuis quelques mois. “En observant à nouveau ces astres lointains, cette fois-ci avec le spectromètre NIRSpec du James-Webb, nous avons montré que pour au moins quatre d’entre eux, le spectre lumineux correspond exactement à nos prédictions sur les étoiles noires, affirme Cosmin Ilie. Ils cochent toutes les cases pour ce nouveau type d’astre. ” L’un des points rouges en particulier est au cœur de l’attention. “Il présente une signature étrange : de l’hélium ionisé, qui ne peut a priori pas s’expliquer autrement que par la présence d’une étoile noire, seul astre possédant une température adéquate pour générer cet élément assez peu commun !”, s’exclame le chercheur.

Juste après le Big Bang

Pour l’équipe, ces points rouges ancestraux ne correspondent pas à des galaxies, mais bien à des étoiles noires individuelles isolées, qui ont pu se former dans des surdensités de matière noire présentes juste après le Big Bang. Et croître de manière complètement démesurée par rapport aux étoiles classiques, leur rayonnement plus doux repoussant assez peu le gaz environnant. Jusqu’à ce qu’elles s’effondrent brutalement… Expliquant par là même la présence prématurée relevée par JWST de trous noirs supermassifs. 

Car les étoiles noires n’auraient vécu que quelques centaines de millions d’années. “Au-delà, la densité de matière noire dans leur cœur ne suffit plus à compenser la pression du gaz qui continue de s’accumuler tout autour, détaille Paolo Gondolo à l’université de l’Utah, aux Etats-Unis, qui a contribué à l’émergence du concept à la fin des années 2000. Les étoiles noires forment une très bonne piste pour expliquer ces trous noirs très tôt dans l’Univers.”

Transparent

Et le pouvoir des astres sombres ne s’arrête pas là : le chercheur a aussi publié une étude montrant que leur douce lumière pourrait avoir participé à la réionisation, un autre des grands mystères du début de l’Univers sur lequel planchent les astrophysiciens. Comment le cosmos est-il devenu transparent ? Comment la brume d’atomes neutres qui saturait le milieu interstellaire s’est-elle dissipée quelques centaines de millions d’années après le Big Bang ? Il faut qu’un rayonnement, quelque chose ait électrisé cette matière, transformé les atomes en ions… Les étoiles noires s’imposent aujourd’hui comme candidates à la métamorphose. 

“Nous regardons aussi si elles ont pu contribuer à générer des éléments lourds, comme l’oxygène ou le carbone, ajoute Sohan Ghodla, de l’université d’Auckland, en Australie. Cela semble être possible, mais seulement si les wimps sont des particules très lourdes, formant un cœur assez petit pour l’étoile, et permettant à la fusion nucléaire de s’enclencher dans l’enveloppe gazeuse. ”

“C’est du sérieux, nous sommes peut-être à l’aube d’un bouleversement en physique”, se réjouit Pierre Salati. “Nous avons imaginé pour la première fois l’existence des étoiles noires il y a presque vingt ans, et sur une base purement théorique. Et aujourd’hui, nous réalisons qu’elles permettraient de résoudre à elles seules plusieurs problèmes majeurs de la cosmologie”, sourit Katherine Freese.

Une vraie révolution…

Sans compter qu’avec elles, les chercheurs disposent d’un outil pour tenter d’avancer sur la compréhension de la matière noire elle-même. “Nous essayons de modéliser des étoiles noires en testant différentes masses pour les wimps, de resserrer l’étau autour d’eux”, confie Sohan Ghodla. “La nature de la matière noire est l’un des plus grands mystères de la physique fondamentale, rappelle Malcolm Fairbairn. Si nous pouvons le résoudre en confirmant l’existence de ces étoiles noires, ce serait une véritable révolution.” 

Un nouvel espoir qui pousse les astrophysiciens jusqu’à envisager des extrémités vertigineuses : les étoiles noires pourraient-elles être là, tout près ? Dans notre Voie lactée ? Dans l’Univers proche ? Et si oui, pourrait-on les voir ? Les étudier ? Voilà deux ans qu’Isabelle John, à l’université de Turin, replonge aux origines du concept pour étudier l’idée. “Cette option avait été laissée de côté, notamment parce qu’on était arrivé à la conclusion que même si des étoiles comme le Soleil étaient en petite partie alimentées par l’annihilation de matière noire, cela resterait trop difficile à détecter.”

Avec ses collègues, elle a testé un cas concret : une colonie d’étoiles quasi-immortelles, alimentées à près de 50 % par l’annihilation de wimps. Elles se cacheraient au centre des galaxies, et notamment de la Voie lactée. “C’est le seul endroit où l’on suppose que la matière noire est encore présente en grande quantité, précise la chercheuse. Nous pouvons donc imaginer que la durée de vie des étoiles qui y vivent, qui dépend de leur masse de départ, soit largement prolongée grâce à ce processus. L’annihilation leur permettrait de briller bien plus longtemps que prévu par les modèles ne tenant compte que de la fusion. C’est en tout cas une piste qui peut mener à des détections concrètes d’annihilation de wimps, par le biais d’étoiles qui dévieraient légèrement de la théorie.” Certes, les observations du centre galactique sont encore difficiles à obtenir, et il faudra sûrement des années avant de pouvoir trancher l’existence de ce processus au sein de ces étoiles. Mais la piste est lancée. La clé de l’annihilation – et donc de l’existence même – des wimps pourrait se nicher au sein de notre propre galaxie. Les étoiles noires pourraient être là, tout près de nous.