Étoiles sombres : Avons-nous enfin découvert un étrange soleil alimenté par la matière noire ?

Une énigme cosmique vieille de plusieurs milliards d’années

Dans les premiers jours – et nous parlons de très tôt, peu de temps après le big bang – l’univers pourrait avoir été jonché de monstres stellaires étranges. Assez larges pour engloutir tout notre système solaire, ces étoiles seraient alimentées non pas par la fusion nucléaire, comme une étoile normale, mais plutôt par la matière noire : plus précisément, les particules de cette substance mystérieuse s’annihilant pour alimenter les soi-disant « étoiles sombres ».

C’est du moins l’idée. Mais lorsque Katherine Freese, astrophysicienne théoricienne à l’Université du Texas à Austin, l’a présentée pour la première fois lors d’une conférence en 2007, elle n’a pas été particulièrement bien accueillie. « J’ai entendu des étudiants diplômés nous traiter de fous », dit-elle.

Néanmoins, le concept des étoiles sombres est resté avec Freese. Au cours des 16 dernières années, elle et ses collègues ont affiné leur compréhension de ces objets hypothétiques tentants. Le problème était de trouver des preuves de leur existence, ce qui semblait toujours hors de portée.

Jusqu’à récemment, du moins, car Freese et ses collègues ont signalé une observation potentielle : des galaxies inhabituelles vues par un nouveau télescope. « Peut-être que certains de ces objets ne sont pas vraiment des galaxies, mais en réalité des étoiles singulières – des étoiles sombres », explique Jillian Paulin, membre de l’équipe, alors à l’Université Colgate de New York.

Des doutes persistent toujours parmi d’autres astronomes. « C’est une idée très controversée », déclare Cosmin Ilie, également à l’Université Colgate, qui a dirigé l’équipe. Mais s’ils existent, les étoiles sombres seraient non seulement une preuve d’un type spécifique de matière noire, mais elles pourraient également aider à résoudre l’un des plus grands problèmes en cosmologie – les origines mystérieuses des trous noirs supermassifs qui impulsent l’évolution galactique.

L’univers est rempli de matière noire

Notre univers est inondé de matière noire. Nous ne pouvons pas la voir directement, car elle n’interagit pas avec la lumière, mais nous savons qu’elle est là. Elle se révèle en déformant l’espace-temps, produisant un effet de lentille qui déforme notre vue d’autres objets que nous pouvons voir. « Nous avons des tonnes de preuves de la nature gravitationnelle de la matière noire », explique Pearl Sandick à l’Université de l’Utah. « Elle existe, et nous savons où elle se trouve. »

Nous ne savons pas précisément ce qu’est la matière noire, bien que nous ayons quelques idées. À la fin du XXe siècle, un candidat appelé particule massive faiblement interactive, ou WIMP, a été introduit. Jusqu’à 1000 fois plus massives que les protons, les WIMPs n’interagiraient pas avec la matière normale. Mais ils interagiraient entre eux – et violemment. Deux de ces particules s’annihileraient au contact, produisant une explosion d’énergie sous forme de rayons gamma.

Nous pouvons également déduire comment la matière noire aurait agi dans l’univers primitif. Après le big bang, il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers était rempli d’un amas de particules, sans structures complexes. La matière noire se déplace plus lentement que la matière normale, elle se serait donc agglomérée plus facilement sous l’effet de la gravité. Au cours des premiers 200 millions d’années de l’histoire cosmique, d’énormes conglomérats de matière noire appelés mini-halos se sont formés. Finalement, ceux-ci ont attiré la matière normale, qui a formé des étoiles et des galaxies.

L’énigme des étoiles sombres

La réalisation de Freese était que si ces mini-halos étaient pleins de WIMPs, cela aurait pu conduire à un processus intéressant similaire à la création d’une étoile normale. « Nous avons réalisé que nous avions ce processus que la communauté astronomique avait raté », dit-elle. C’était un tout nouveau type d’étoile.

Les étoiles se forment lorsqu’un nuage de poussière et de gaz constitué de matière normale s’effondre. La gravité comprime ensemble les atomes d’hydrogène et d’hélium, atteignant finalement le seuil à partir duquel la fusion nucléaire commence et le noyau d’une étoile est forgé. Dans les étoiles, la force de la gravité qui pousse vers l’intérieur est exactement équilibrée par la force vers l’extérieur de la fusion.

Mais si la densité de la matière noire était suffisamment élevée dans certains halos, l’annihilation des WIMPs pourrait produire suffisamment d’énergie pour que la force vers l’extérieur empêche la matière normale d’atteindre la densité critique. La fusion nucléaire ne démarrerait jamais – à la place, vous auriez une classe différente d’objet qui se stabiliserait à une taille beaucoup plus grande, peut-être avec un diamètre similaire à celui de l’orbite de Saturne et une masse pouvant atteindre un million de fois celle du soleil. « Il y a cette source de chaleur qui empêche ce nuage de s’effondrer davantage », explique Freese. « Elles sont alimentées par la matière noire. »

La teneur en matière noire des étoiles serait faible, seulement 0,1 pour cent. Mais cela suffirait à produire des trillions d’annihilations par seconde, faisant briller l’étoile d’une lumière incroyablement brillante en blanc ou en bleu éclatant. Dans ce sens, « étoile sombre » est un nom inapproprié. Dans les cas les plus extr

êmes, les étoiles sombres pourraient devenir vraiment gigantesques et surpasser même des galaxies entières dans l’univers primitif. « Elles peuvent devenir un milliard de fois plus lumineuses que le soleil », dit Freese.

Freese a publié une série d’articles sur les étoiles sombres, le premier d’entre eux, écrit avec ses collègues Douglas Spolyar et Paolo Gondolo, est paru en 2008. Dan Hooper de l’Université de Chicago se souvient qu’il y avait un « débat intense » lorsqu’ils ont été publiés. « J’allais à des conférences et j’entendais les gens se crier dessus », dit-il. « Je ne savais pas qui avait raison et qui avait tort. »

L’idée a quelque peu de soutien. « Je pense que c’est une idée très cool qui est tout à fait possible », déclare Sandick. Elle est également loin d’être la seule étoile exotique qui a été proposée.

Il y a de bonnes raisons de penser que ces étoiles théoriques existent. Outre le fait qu’elles sont un tout nouveau type d’étoile, les étoiles sombres pourraient offrir une solution à une grande énigme cosmologique : l’origine des trous noirs supermassifs. Ce sont les monstres noirs si denses que même la lumière ne peut pas s’échapper d’eux, qui se trouvent au centre des galaxies.

Le puzzle des trous noirs supermassifs

Lorsque nous observons l’univers lointain et ancien, nous voyons des galaxies plus jeunes qu’un milliard d’années avec des trous noirs supermassifs, qui sont mille milliards de fois plus massifs que notre soleil, en leur centre. Comment ces trous noirs ont-ils grandi si rapidement est une énigme. « L’émergence de tels trous noirs massifs dans l’univers très ancien est un gros problème », dit Muhammad Latif à l’Université des Émirats arabes unis. Ils peuvent avoir grandi à partir de la fusion de trous noirs plus petits, mais il ne semble pas y avoir eu assez de temps pour que cela se produise.

Les étoiles sombres pourraient être la réponse, en ce sens qu’elles pourraient être les graines insaisissables des trous noirs supermassifs. Elles auraient principalement vécu rapidement et seraient mortes jeunes, ne durant que quelques millions d’années. Les étoiles sombres plus petites, peut-être cent fois la masse de notre soleil, pourraient être ressuscitées en tant qu’étoiles normales une fois que l’annihilation des WIMPs cesserait. « Une fois que leur carburant de matière noire est épuisé, la fusion pourrait commencer », explique Freese.

Mais toutes les étoiles sombres, une fois à court de carburant, s’effondreraient en trous noirs. Dans le cas des étoiles sombres supermassives, compte tenu de leurs énormes masses, les trous noirs résultants seraient tout aussi massifs, jusqu’à un million de masses solaires. « Nous résolvons en fait le problème majeur des trous noirs massifs », dit Freese. « Si vous commencez avec nos étoiles sombres, vous aurez des graines de million de masses solaires qui pourraient fusionner pour former des trous noirs de milliard de masses solaires. »

Cependant, au cours des années 2010, le cas des étoiles sombres a connu un revers. D’autres candidats pour la matière noire ont émergé et le cas des WIMPs s’est affaibli. Sans preuve des WIMPs, des particules théoriques plus légères appelées axions sont devenues le pari de nombreux physiciens pour expliquer la matière noire. Et les axions seraient trop légers pour produire suffisamment d’énergie pour former des étoiles sombres. D’autres, comme Bernard Carr de l’Université Queen Mary de Londres, préfèrent l’idée que la matière noire n’est pas constituée de particules mystérieuses, mais qu’elle se compose de trous noirs créés dans l’univers primitif, appelés trous noirs primordiaux.

Cependant, Freese est restée optimiste quant aux perspectives des étoiles sombres, et maintenant les choses s’améliorent. En 2022, elle et ses collègues ont calculé que d’autres particules candidates à la matière noire pourraient former des étoiles sombres. « Ce n’a pas besoin d’être des WIMPs », dit-elle. Il existe une alternative où la matière noire est encore envisagée comme une particule, mais une particule qui interagit davantage avec elle-même. Ce concept de matière noire auto-interagissante est populaire en ce moment, explique Freese.

Ensuite, plus tôt cette année, l’œil le plus éloigné dans le ciel a repéré quelque chose.

Des indices d’étoiles sombres

Le télescope spatial James Webb (JWST), lancé en décembre 2021, est capable de remonter profondément dans l’histoire de l’univers grâce à son grand miroir plaqué d’or qui observe en lumière infrarouge. Il a déjà vu des galaxies datant des premières centaines de millions d’années de l’univers, plus tôt que toutes les autres galaxies vues par n’importe quel autre télescope. Ces résultats ont montré plus d’objets brillants dans l’univers primitif que prévu. « Il ne fait aucun doute que les résultats du JWST indiquent quelque chose d’étrange », déclare Carr. On ne s’attendait pas à ce que les galaxies se développent beaucoup avant un milliard d’années environ après le big bang, mais le JWST semble avoir trouvé de nombreuses galaxies se formant beaucoup plus tôt.

En juin, les astronomes de l’Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) du JWST ont annoncé quelques nouvelles galaxies candidates qui étaient les plus anciennes à ce jour, l’une datant de seulement 320 millions d’années après le big bang. Freese et ses collègues, cependant, ont publié un article préliminaire – une étude qui n’a pas encore été évaluée par des pairs – suggérant que celles-ci pourraient ne pas être des galaxies. Au lieu de cela, ils pensent que les objets, apparaissant comme des taches rouges pour le JWST, sont des étoiles

sombres individuelles.

La confirmation à venir ?

Leur raisonnement est que trois des objets semblent être arrondis, comme une étoile, et manquent des caractéristiques délicates d’une galaxie. Les objets correspondent également au modèle des étoiles sombres, avec la quantité de lumière produite cohérente avec ce qui serait attendu. Deux des candidats sont estimés à un million de fois la masse de notre soleil, et l’un d’entre eux à la moitié de cette masse.

Il est toujours possible que ceux-ci s’avèrent être de très petites galaxies, peut-être apparaissant comme des sources ponctuelles individuelles en raison d’un manque de résolution. « Nous préférons toujours la solution plus simple », déclare Sandro Tacchella de l’Université de Cambridge, membre de l’équipe JADES. « Pour le moment, il n’y a pas de preuve claire d’un modèle d’étoile sombre. » Marcia Rieke de l’Université de l’Arizona, également membre de l’équipe JADES, est tout aussi prudente, notant que deux des trois candidats semblaient avoir des caractéristiques délicates cohérentes avec une petite galaxie, tandis que le troisième pourrait simplement être une galaxie compacte. « Pour affirmer qu’il s’agit d’une étoile sombre, il faut vraiment avoir des preuves solides », dit-elle.

Il y a une chance que nous puissions les obtenir. En octobre, JADES recueillera la seconde moitié de ses données, y compris des spectres détaillés de ces objets, ce qui signifie mesurer la lumière qu’ils émettent sur une gamme de longueurs d’onde. Nous devrions être en mesure de détecter la signature de l’hélium ionisé, appelé hélium-II. Si les objets mystérieux sont des étoiles sombres, les astronomes s’attendent à voir l’hélium-II absorber la lumière à une longueur d’onde spécifique. Si, en revanche, ce sont des galaxies, ils s’attendraient à ce que l’hélium-II émette de la lumière à cette longueur d’onde. « La signature du smoking-gun d’une étoile sombre est la caractéristique de l’hélium-II », explique Paulin.

Il peut y avoir d’autres candidats d’étoiles sombres. Ilie dit qu’il travaille sur un nouvel article avec de nouvelles observations du JWST. « Nous ne manquerons pas de candidats », dit-il. Seul le JWST a actuellement le pouvoir de trouver des étoiles sombres, bien que des télescopes spatiaux à venir, comme le télescope spatial Roman de la NASA, prévu pour être lancé en 2027, pourraient également avoir ce qu’il faut.

Pour la majorité des astronomes, l’idée des étoiles sombres reste difficile à accepter. « La plupart des gens préfèrent être conservateurs et ne pas invoquer quelque chose de bizarre comme les étoiles sombres », dit Carr. Mais après tout, notre cosmos est jonché d’objets improbables, des trous noirs aux magnétars. « Nous sommes entourés de bizarreries », dit Carr. Pourquoi pas les étoiles sombres aussi ?