Une étude suggère que l’Univers pourrait être peuplé d’étoiles à bosons

L’année dernière, la collaboration de l’Event Horizon Telescope (EHT) a révélé la première visualisation astronomique d’un trou noir supermassif : M87*. Cette image spectaculaire a poussé certains astrophysiciens à étudier plus en détail l’observation et à la comparer avec d’autres objets cosmiques théoriques. C’est notamment le cas des étoiles à bosons, c’est-à-dire des objets compacts composés de bosons et possédant des propriétés physiques particulières. En simulant la dynamique des étoiles à bosons, une équipe de chercheurs a montré qu’elles ressemblaient sous bien des aspects à des trous noirs. Ces nouveaux résultats suggèrent que, si l’existence de ces objets cosmiques était confirmée, les étoiles à bosons pourraient peupler l’Univers au même titre que les trous noirs.

Une équipe dirigée par l’astrophysicien Hector Olivares de l’Université Radboud aux Pays-Bas et de l’Université Goethe en Allemagne, s’est posée la question suivante : comment savons-nous que M87* est un trou noir ? « Bien que l’image corresponde à nos attentes sur ce à quoi ressemblerait un trou noir, il est important d’être sûr que ce que nous voyons est vraiment ce que nous pensons », indique Olivares.

« De même que les trous noirs, les étoiles à bosons sont prédites par la relativité générale et sont capables de croître jusqu’à des millions de masses solaires et d’atteindre une très grande compacité. Le fait qu’elles partagent ces caractéristiques avec des trous noirs supermassifs a conduit certains auteurs à proposer que certains des objets compacts supermassifs situés au centre des galaxies puissent en fait être des étoiles à bosons ».

Étoiles à bosons : des objets compacts aux propriétés particulières

Dans un article publié dans la revue MNRAS, Olivares et son équipe ont calculé à quoi pourrait ressembler une étoile à bosons pour l’un de nos télescopes et en quoi cela différerait d’une image directe d’un trou noir en croissance. Les étoiles à bosons font partie des objets théoriques les plus étranges. Ils ne ressemblent pas beaucoup aux étoiles conventionnelles. Mais là où les étoiles sont principalement constituées de particules appelées fermions — électrons, quarks, etc. —, les étoiles à bosons seraient entièrement constituées de… bosons.

Les fermions sont soumis au principe d’exclusion de Pauli, ce qui signifie que vous ne pouvez pas avoir deux particules identiques occupant le même espace. Les bosons, cependant, peuvent être superposés ; quand ils se réunissent, ils agissent comme une seule grosse particule ou onde de matière. Cela a été démontré expérimentalement avec les condensats de Bose-Einstein.

Dans le cas des étoiles à bosons, les particules peuvent être agglutinées dans un espace qui peut être décrit avec des valeurs distinctes, ou des points sur une échelle. Étant donné le bon type de bosons dans les bons arrangements, ce « champ scalaire » pourrait former un arrangement relativement stable. C’est du moins la théorie. Les bosons avec la masse nécessaire pour former une telle structure, sans parler de la masse d’un trou noir supermassif (SMBH), n’ont pas encore été repérés.

« Afin de former une structure aussi grande que les candidats SMBH, la masse du boson doit être extrêmement petite (moins de 10^-17 électronvolts). Les bosons de spin 0 avec des masses similaires ou plus petites apparaissent dans plusieurs modèles cosmologiques et théories des cordes, et ont été proposés comme candidats de matière noire sous différents noms (matière noire de champ scalaire, axions ultralégers, matière noire floue, matière noire d’onde quantique). De telles particules hypothétiques seraient extrêmement difficiles à détecter, mais l’observation d’un objet ressemblant à une étoile à bosons indiquerait leur existence », explique Olivares.

Une apparence structurelle similaire à celles des trous noirs

Les étoiles à bosons ne fusionnent pas les noyaux et n’émettent aucun rayonnement. Contrairement aux trous noirs, cependant, elles seraient transparentes — elles n’ont pas de surface absorbante qui arrêterait les photons ni d’horizon des événements. Les photons peuvent échapper aux étoiles à bosons, bien que leur chemin puisse être légèrement dévié par la gravité.

Mais certaines étoiles à bosons peuvent être entourées d’un anneau rotatif de plasma — un peu comme le disque d’accrétion qui entoure un trou noir. Olivares et son équipe ont effectué des simulations de la dynamique de ces anneaux de plasma, et les ont comparées à ce que nous pourrions nous attendre à voir d’un trou noir. « La configuration du plasma que nous utilisons n’est pas choisie aléatoirement, mais résulte d’une simulation de la dynamique du plasma. Cela permet au plasma d’évoluer dans le temps et de former des structures comme il le ferait dans la nature », déclare Olivares.

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« De cette façon, nous pourrions relier la taille de la région sombre dans les images de l’étoile à bosons (qui imite une ombre de trou noir) au rayon où une instabilité du plasma cesse de fonctionner. En retour, cela signifie que la taille de la région sombre n’est pas arbitraire — cela dépendra des propriétés de l’espace-temps de l’étoile à bosons — et nous permet également de prédire sa taille pour d’autres étoiles à bosons que nous n’avons pas simulées », ajoute-t-il.

Conforter ou infirmer l’existence des étoiles à bosons avec l’EHT

Les chercheurs ont découvert que l’ombre de l’étoile à bosons serait nettement plus petite que l’ombre d’un trou noir de masse similaire. Ainsi, M87* pourrait être exclu en tant qu’étoile à bosons ; du moins tel que modélisé par l’équipe. « La masse de M87* déduite de la dynamique stellaire est cohérente avec les attentes sur la taille de son ombre pour le cas d’un trou noir, donc la région sombre est trop grande pour correspondre à une étoile à bosons non rotative similaire à celles que nous avons étudié ».

Mais l’équipe a également pris en compte les capacités techniques et les limites du télescope Event Horizon, qui a livré cette première image de trou noir. Ils se sont délibérément mis à visualiser leurs résultats car ils pensaient que les étoiles à bosons pourraient ressembler à celles de l’EHT. Cela signifie que leurs résultats peuvent être comparés aux futures observations d’EHT, pour déterminer si ce que nous examinons est bien un trou noir supermassif.

Si ce n’était pas le cas, cela ne signifierait bien entendu pas que les SMBH n’existent pas, mais cela conforterait l’existence des étoiles à bosons. « Cela signifierait que les champs scalaires cosmologiques existent et jouent un rôle important dans la formation des structures dans l’Univers. La croissance des trous noirs supermassifs n’est toujours pas très bien comprise, et s’il s’avère qu’au moins certains des candidats sont en fait des étoiles à bosons, nous aurions besoin de penser à différents mécanismes de formation impliquant des champs scalaires ».

Sources : arXiv