On commence peut-être à détecter des étoiles qui brûlent de la mati…
L'astrophysicien Richard Taillet n'est hélas plus avec nous. On aimerait bien avoir son avis sur un travail théorique récent connectant la physique de l'infiniment petit avec la mati...
Il y a presque une décennie, on faisait les premières détections directes sur Terre d’ondes gravitationnelles, détections ouvrant l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Les sources détectées étaient sous la forme d'un signal intense dans une bande de fréquences que l'on peut considérer comme élevées, par comparaison à d'autres que l'on cherche à mettre en évidence à des fréquences plus basses. Il s'agissait de collisions de trous noirs stellaires et d'étoiles à neutrons.
La forme des signaux a permis de vérifier que les ondes gravitationnelles semblent bel et bien se déplacer à la même vitesse que la lumière et avec des caractéristiques qui, aux limites des précisions actuelles, sont aussi celles prédites par la théorie de la relativité générale d'Einstein, par rapport à d'autres théories relativistes de la gravitation. On dispose même maintenant de tests convaincants en faveur de la théorie standard des trous noirs.
Un fond cosmique stochastique d'ondes gravitationnelles
Toutefois, récemment, l'utilisation des pulsars - ces étoiles à neutrons qui se comportent comme des phares cosmiques d'ondes radio - a conduit à une détection probable d'une sorte de fond d'ondes gravitationnelles à des fréquences très basses, de l'ordre du nanohertz. En théorie, il s'agit d'un fond stochastique produit par la superposition des ondes émises par des trous noirs supermassifs sur des orbites allant les conduire à des fusions. Ce fond est un peu l'analogue à celui d'une mare subissant une averse de gouttes de pluie.
On a peut-être détecté les ondes gravitationnelles du Big Bang
On vient de détecter pour la première fois un fond cosmologique chaotique d'ondes gravitationnelles pouvant provenir de diverses sources, en particulier les trous noirs supermassifs binaires, mais aussi peut-être des supercordes cosmiques ou encore d'événements survenus pendant le Big Bang, comme une phase d'inflation ayant créé la matière qui nous entoure. La Voie lactée, elle-même, a servi de détecteur géant pendant 15 ans en utilisant plusieurs radiotélescopes – comme celui de Nançay – pour observer des dizaines de pulsars, ces astres de la taille d'une grande capitale sur Terre mais contenant autant de masse que le Soleil.... Lire la suite
Mais la théorie n'exclut pas que d'autres sources soient aussi présentes en rapport avec le Big Bang ou des astres exotiques découlant d'une nouvelle physique.
Pour en savoir plus à ce sujet, il faut consulter quelques-uns des articles que Futura avait écrits sur ce sujet, qui prend aujourd'hui un nouvel aspect suite à une publication dans Physical Review D, que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv et que l'on doit aux physiciens Sohan Ghodla et Cosmin Ilie, de l'Université Colgate aux États-Unis.
Les deux chercheurs sont arrivés à des conclusions étonnantes en se basant sur une hypothèse déjà avancée il y a un certain temps : celle de l'existence des étoiles noires supermassives.
Des étoiles qui brillent en brûlant de la matière noire
Le concept d'étoile noire, Dark Star (DS), a été proposé en 2007 par Katherine Freese et Paolo Gondolo, de l'université de l'Utah. Le raisonnement des deux astrophysiciens se basait au départ sur le fait que les observations montrent que la matière noire domine la matière normale par sa masse et sa gravité. Or, elle devait aussi être plus dense qu'aujourd'hui pendant et à la fin des premières centaines de millions d'années de l'Univers observable après le Big Bang, alors qu'elle s'effondrait gravitationnellement pour donner les premières grandes structures du cosmos.
L'un des plus grands radiotélescopes du monde va-t-il révéler des secrets du Big Bang ?
Si l'on compare l'espace-temps à la surface d'un lac dans lequel tombent des gouttes de pluie plus ou moins grosses, la surface de ce lac devient une superposition agitée, chaotique – les physiciens diront stochastique – d'ondes qui sont les correspondantes des ondes gravitationnelles causées par diverses sources dans l'Univers observable. Certaines de ces ondes, issues peut-être du Big Bang ou de paires de trous noirs supermassifs, semblent bel et bien avoir été détectées par l'iconique radiotélescope de Nançay, mais aussi d'autres sur Terre. Voici quelques explications avec Gilles Theureau, l'un des chasseurs français de ce fond d'ondes cosmiques.... Lire la suite
En toute logique, les premières étoiles nées à l'intérieur de halos de matière noire, dans lesquels se formaient aussi des protogalaxies, devaient en contenir des quantités non négligeables, contrairement aux jeunes étoiles qui se forment aujourd'hui. Ce devait être en particulier le cas au centre des premières galaxies en formation.
Le processus de formation de ces premières étoiles est assez classique au départ, la seule différence étant que de la matière noire en quantité non négligeable est accrétée par la proto-étoile. L'idée centrale qui vient ensuite est de prendre au sérieux certaines des théories de matière noire proposées, comme celles dites des Wimps, qui autorisent les particules de matière noire à avoir des réactions d'annihilation en se rencontrant. Ces réactions, dont le taux d'énergie libérée est supérieur à celui obtenu par des réactions de fusion normales, vont dominer la vie de la jeune étoile.
Alors qu'une masse d'environ 140 fois celle du Soleil représente la limite à l'existence d'une étoile classique d'après les calculs de la théorie de l'évolution et de la structure stellaire, une DS peut être stable en contenant une masse de 500, voire 1 000 masses solaires et probablement plus (selon Katherine Freese, le million de masses solaires n'est pas à exclure). Il s'agirait donc d'étoiles gigantesques, typiquement des étoiles supermassives, dont la taille pouvait être comprise entre 4 et 2 000 unités astronomiques, de quoi englober 15 000 systèmes solaires.
Ces résultats théoriques sont très intéressants, comme nous l'expliquions dans un précédent article ci-dessous, car une fois le carburant en matière noire épuisé, les DS ont toutes les chances de se transformer en trous noirs.
Le télescope James-Webb pourrait bien avoir débusqué les mystérieuses étoiles noires !
Le télescope spatial James-Webb poursuit son sondage des strates de lumière anciennes de l'Univers à la recherche de l'inattendu... ou pour tenter de vérifier des théories exotiques. Et si des étoiles avaient brûlé de la matière noire ?... Lire la suite
Or, des masses de quelques centaines à un million de masses solaires correspondant précisément à celles nécessaires pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs présents dans presque toutes les galaxies et dont les observations du James-Webb laissent penser qu'ils sont nés plus tôt qu'on ne l'imaginait, ce qui pose un problème encore plus difficile à résoudre quand on cherche à savoir comment ces trous noirs géants ont pu se former.
Un test de la théorie des étoiles noires ?
Les étoiles noires pouvaient servir de graines pour la formation précoce de trous noirs géants, mais une autre possibilité était envisageable, à savoir que dans leur phase initiale, ces astres compacts soient le produit de l’effondrement gravitationnel direct d'immenses nuages de matière laissés par le Big Bang et plus denses que les autres régions du cosmos observable.
Il se trouve que selon Ghodla et Ilie, la présence d'étoiles noires avant ces trous noirs, également sous la forme de systèmes binaires destinés à entrer en collision, peut donner lieu à des émissions d'ondes gravitationnelles qui pourraient non seulement produire une fraction importante du fond d'ondes gravitationnelles aujourd'hui observé par les réseaux de chronométrage de pulsars, ou PTA (Pulsar Timing Arrays), mais en fait sa majorité !
Plus précisément, si les étoiles noires étaient suffisamment nombreuses - environ 10⁻³ Mpc⁻³ - leurs descendants auraient pu grandir, fusionner et former les couples de trous noirs supermassifs responsables aujourd'hui d'une grande partie, voire de la majorité, du signal détecté par les réseaux de pulsars. Les trous noirs formés par effondrement direct auraient, eux, été trop rares pour fournir une contribution comparable, avec une densité caractéristique d'environ 10⁻⁶ Mpc⁻³.
Les ondes gravitationnelles nanohertz observées aujourd'hui pourraient donc servir de « fossiles » de l'aube cosmique. Leur intensité permettrait de contraindre le nombre et la nature des graines qui ont donné naissance aux premiers trous noirs géants.
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