Une équipe d’astrophysiciens a découvert trois « étoiles sombres » potentielles grâce au télescope spatial James Webb. Ces corps théoriques, dont on pense qu’ils sont alimentés par des particules de matière noire, sont beaucoup plus grands et plus brillants que notre soleil. Si leur existence est confirmée, ils pourraient éclairer de manière significative notre compréhension de la matière noire, l’une des questions les plus importantes non résolues en physique. En outre, leur existence pourrait permettre de réconcilier la divergence entre le modèle cosmologique standard actuel et l’observation de grandes galaxies au début de l’univers.
Les étoiles alimentées par de la matière noire doivent encore être prouvées, mais elles pourraient révéler des indices sur la nature de l’un des grands mystères de l’univers.
Les étoiles brillent dans l’obscurité de l’espace grâce à la fusion d’atomes qui libèrent de l’énergie. Et s’il existait un autre moyen d’alimenter une étoile en énergie ?
Une équipe de trois astrophysiciens – Katherine Freese de l’université du Texas à Austin, en collaboration avec Cosmin Ilie et Jillian Paulin ’23 de l’université Colgate – a analysé les images du télescope spatial James Webb (JWST) et a découvert trois objets brillants qui pourraient être des « étoiles sombres », des objets théoriques beaucoup plus grands et plus brillants que notre soleil, alimentés par l’annihilation de particules de matière noire. Si leur existence est confirmée, les étoiles sombres pourraient révéler la nature de la matière noire, l’un des plus grands problèmes non résolus de toute la physique.
« La découverte d’un nouveau type d’étoile est déjà intéressante en soi, mais découvrir que c’est la matière noire qui l’alimente serait énorme », a déclaré Freese, directeur de l’Institut Weinberg de physique théorique et titulaire de la chaire Jeff et Gail Kodosky de physique à l’université d’Austin.
Ces trois objets (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 et JADES-GS-z11-0) ont été initialement identifiés comme des galaxies en décembre 2022 par le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Aujourd’hui, une équipe comprenant Katherine Freese, de l’université du Texas à Austin, pense qu’il pourrait s’agir en fait d' »étoiles sombres », des objets théoriques beaucoup plus grands et plus brillants que notre soleil, alimentés par l’annihilation de particules de matière noire. Crédit : NASA/ESA
Bien que la matière noire constitue environ 25 % de l’univers, sa nature a échappé aux scientifiques. Les scientifiques pensent qu’il s’agit d’un nouveau type de particule élémentaire, et la chasse à la détection de ces particules est ouverte. Parmi les principaux candidats figurent les particules massives à interaction faible. Lorsqu’elles entrent en collision, ces particules s’annihilent, dégagent de la chaleur dans les nuages d’hydrogène qui s’effondrent et les transforment en étoiles sombres brillantes. L’identification d’étoiles noires supermassives ouvrirait la possibilité d’en savoir plus sur la matière noire à partir de leurs propriétés observées.
La recherche a été publiée le 11 juillet dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.
Des observations complémentaires du JWST sur les propriétés spectroscopiques des objets – notamment les baisses ou les excès d’intensité lumineuse dans certaines bandes de fréquence – pourraient permettre de confirmer que ces objets candidats sont bien des étoiles sombres.
La confirmation de l’existence d’étoiles noires pourrait également aider à résoudre un problème créé par le JWST : il semble y avoir trop de grandes galaxies trop tôt dans l’univers pour correspondre aux prédictions du modèle standard de la cosmologie.
« Il est plus probable que quelque chose dans le modèle standard ait besoin d’être ajusté, car proposer quelque chose d’entièrement nouveau, comme nous l’avons fait, est toujours moins probable », a déclaré M. Freese. « Mais si certains de ces objets qui ressemblent aux premières galaxies sont en fait des étoiles sombres, les simulations de la formation des galaxies s’accordent mieux avec les observations.
Les trois étoiles sombres candidates (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 et JADES-GS-z11-0) ont été initialement identifiées comme des galaxies en décembre 2022 par le JADES (Advanced Deep Extragalactic Survey) du JWST. Grâce à une analyse spectroscopique, l’équipe JADES a confirmé que ces objets ont été observés entre 320 et 400 millions d’années après le Big Bang, ce qui en fait des objets parmi les plus anciens jamais observés.
« Lorsque nous examinons les données de James Webb, il existe deux possibilités concurrentes pour ces objets », a déclaré M. Freese. « La première est qu’il s’agit de galaxies contenant des millions d’étoiles ordinaires de population III. L’autre est qu’il s’agit d’étoiles sombres. Et croyez-le ou non, une étoile noire a suffisamment de lumière pour rivaliser avec une galaxie entière d’étoiles ».
En théorie, les étoiles sombres pourraient atteindre plusieurs millions de fois la masse de notre soleil et être jusqu’à 10 milliards de fois plus lumineuses que lui.
« Nous avions prédit en 2012 que des étoiles noires supermassives pourraient être observées avec le JWST », a déclaré M. Ilie, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’université Colgate. « Comme le montre notre article récemment publié dans les PNAS, nous avons déjà trouvé trois candidats étoiles noires supermassives en analysant les données du JWST pour les quatre objets JADES à haut redshift confirmés spectroscopiquement par Curtis-Lake et al, et je suis convaincu que nous en identifierons bientôt beaucoup d’autres. »
L’idée des étoiles sombres est née d’une série de conversations entre Freese et Doug Spolyar, à l’époque étudiant diplômé de l’Université de Californie à Santa Cruz. Ils se sont interrogés : Quel est l’effet de la matière noire sur les premières étoiles qui se forment dans l’univers ? Ils ont ensuite contacté Paolo Gondolo, astrophysicien à l’université de l’Utah, qui a rejoint l’équipe. Après plusieurs années de développement, ils ont publié leur premier article sur cette théorie dans la revue Physical Review Letters en 2008.
Ensemble, Freese, Spolyar et Gondolo ont élaboré un modèle qui se présente comme suit : Au centre des premières protogalaxies, il y aurait des amas très denses de matière noire, ainsi que des nuages de gaz d’hydrogène et d’hélium. En se refroidissant, le gaz s’effondre et entraîne avec lui la matière noire. À mesure que la densité augmentait, les particules de matière noire s’annihilaient de plus en plus, ajoutant de plus en plus de chaleur, ce qui empêchait le gaz de s’effondrer jusqu’à former un noyau suffisamment dense pour permettre la fusion, comme dans une étoile ordinaire. Au lieu de cela, l’étoile continuerait à accumuler du gaz et de la matière noire, devenant ainsi grosse, gonflée et beaucoup plus brillante que les étoiles ordinaires. Contrairement aux étoiles ordinaires, la source d’énergie serait uniformément répartie, et non concentrée dans le cœur. Avec suffisamment de matière noire, les étoiles noires pourraient atteindre plusieurs millions de fois la masse de notre soleil et être jusqu’à 10 milliards de fois plus brillantes que lui.
Référence : « Supermassive Dark Star candidates seen by JWST » par Cosmin Ilie, Jillian Paulin et Katherine Freese, 11 juillet 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2305762120
Cette recherche a été financée par le programme Office of High Energy Physics du ministère américain de l’énergie et par le Vetenskapsradet (Conseil suédois de la recherche) au Centre Oskar Klein pour la physique des cosmoparticules de l’université de Stockholm.