L’effondrement d’étoiles massives pourrait donner naissance à des « gravastars » qui pourraient déclencher la formation de « mini-univers », selon une nouvelle étude théorique. Dans ce scénario alternatif aux trous noirs, la matière en effondrement enclencherait un processus semblable à celui du Big Bang et donnerait lieu à un univers dont l’expansion serait, elle aussi, alimentée par l’énergie sombre.
L’hypothèse conventionnelle sur la fin de vie des étoiles massives est qu’elles s’effondrent sur elles-mêmes et laissent derrière elles soit des vestiges compacts tels que les étoiles à neutrons, soit des trous noirs.
En particulier, dans les cas de formation des trous noirs, lorsque les étoiles épuisent leur combustible thermonucléaire, la pression radiative ne suffit plus à compenser la force gravitationnelle, ce qui les fait s’effondrer jusqu’à ce qu’il ne subsiste, selon la relativité générale, qu’une singularité, un point où des grandeurs physiques comme la densité, la gravité et la courbure de l’espace-temps deviennent infinies.
Cependant, si l’existence des trous noirs est compatible avec les observations d’ondes gravitationnelles et électromagnétiques, certaines de leurs caractéristiques font encore l’objet de débats. La singularité physique qui existerait en leur cœur indique plutôt que la relativité générale classique atteint ses limites, ce qui rend toute prédiction théorique conventionnelle impossible.
D’autre part, l’horizon des événements, où aucune information, y compris la lumière, ne peut s’échapper, rend toute observation impossible. Afin de surmonter ces problèmes, des descriptions mathématiques alternatives des trous noirs ont été proposées, certaines éliminant par exemple la singularité tout en conservant l’horizon des événements (comme le cas des « trous noirs réguliers »), ou ne présentant ni l’un ni l’autre (comme certaines théories des « imitateurs de trous noirs »).
Un mini-univers en expansion qui stabiliserait l’étoile
Parmi les hypothèses alternatives aux trous noirs proposées figurent les gravastars (de l’anglais gravitational vacuum star, soit « étoile de vide gravitationnel »), des objets hypothétiques où il n’existerait ni singularité, ni horizon des événements.
L’intérieur de ces étoiles contiendrait de l’énergie noire, tandis que l’extérieur serait stabilisé par une fine couche de matière ordinaire. La pression négative exercée par l’énergie noire dilaterait l’intérieur, tandis que la gravité et la pression de l’enveloppe externe agiraient comme des entraves empêchant cette dilatation, ce qui conduirait à une certaine forme de stabilité.
Cependant, comme ces objets n’auraient pas d’horizon des événements et leur compacité serait proche de celle des trous noirs, il serait difficile de les distinguer de ces derniers. Il a été suggéré que l’utilisation d’observations du rayonnement électromagnétique pourrait permettre de les distinguer, car les signatures gravitationnelles qu’ils produiraient seraient différentes. La fiabilité de cette approche est cependant débattue.
Un duo de physiciens théoriciens propose un modèle de formation d’une gravastar statique à la suite de l’effondrement gravitationnel d’un nuage sphérique de matière stellaire.
« Les trous noirs réguliers et les objets imitant les trous noirs sans horizon offrent des alternatives mathématiquement cohérentes pour relever les défis posés par les trous noirs standards. Cependant, le mécanisme de formation de ces objets alternatifs reste largement obscur et constitue un problème ouvert important, car la compréhension de leur formation dynamique représente une première étape essentielle pour confirmer leur existence », écrivent-ils dans leur étude publiée dans la revue Physical Review D.
D’après ce nouveau modèle, l’effondrement d’une étoile massive et le gravastar qui en résulterait conduiraient, selon les auteurs, au déclenchement d’un processus analogue au Big Bang, provoquant ainsi la formation d’un mini-univers.
« Le Big Bang de l’univers naissant peut se produire une fois que l’étoile s’est déjà effondrée presque jusqu’à devenir un trou noir », explique Daniel Jampolski de l’Institut de physique théorique de l’université Goethe, en Allemagne, auteur principal de l’étude, dans un communiqué. « Il est plus facile d’imaginer que le Big Bang n’intervienne qu’à un stade très avancé, lorsque la matière a déjà été comprimée à un degré extrême, donnant ainsi naissance à de nouveaux phénomènes. »
À l’instar du nôtre, cet univers entrerait en expansion grâce à l’énergie noire contenue dans le cœur du gravastar, une expansion qui contrebalancerait les forces gravitationnelles et empêcherait l’effondrement de l’étoile avant la formation d’un trou noir. Il se produirait alors une forme d’équilibre entre le mini-univers en expansion et la matière en effondrement, ce qui conduirait à la formation d’une gravastar stable.
Luciano Rezzolla, professeur d’astrophysique théorique à l’université Goethe et coauteur de l’étude, précise toutefois que « la recherche d’alternatives aux trous noirs ne doit pas impliquer un scepticisme à leur égard, car ils représentent toujours l’explication la plus naturelle et la plus simple de l’effondrement gravitationnel. Cependant, en tant que scientifiques en général, et en tant que physiciens théoriciens en particulier, il est essentiel de conserver une approche impartiale face à l’inconnu et, par conséquent, d’explorer aussi bien les théories admises que les interprétations plus originales. L’histoire nous enseigne qu’il n’est pas rare que ces dernières deviennent les premières. »
