Qu’est-ce qu’une naine noire ?

Une fois qu’une étoile arrive en fin de vie, plusieurs scénarios peuvent se dérouler en fonction de la masse de cette dernière. Si les plus massives terminent généralement leur vie dans de spectaculaires explosions pour laisser place à des étoiles à neutrons ou des trous noirs, les moins massives aboutissent ordinairement au stade de naine blanche. Mais selon les modèles théoriques, il pourrait exister encore un stade au-delà de ce dernier : la naine noire.

Une naine noire est une naine blanche qui s’est tellement refroidie qu’elle ne dégage plus aucune lumière visible ni de chaleur mesurable. Le processus physique menant à cette température est d’une durée plus longue que l’âge actuel de l’Univers. Aucune naine noire n’a donc pu encore se former, c’est pourquoi il est impossible d’en observer actuellement. En outre, les naines blanches les plus froides sont utilisées comme contraintes observationnelles pour définir l’âge de l’Univers.

Initialement, les naines noires désignaient les objets que l’on appelle aujourd’hui les naines brunes, c’est-à-dire des objets substellaires dont la masse est insuffisante pour initier les réactions du fusion thermonucléaire.

Cependant, le terme de naine noire était déjà utilisé pour caractériser les naines blanches froides. Tant et si bien qu’en 1975, l’astronome américain Jill Tarter propose le terme de naine brune afin d’éviter toute confusion à l’avenir, les deux objets étant radicalement différents l’un de l’autre.

Pour les étoiles de masse faible à moyenne (en dessous des 10 masses solaires), la fin de vie attendue est le stade de naine blanche. C’est-à-dire une sphère d’électrons et de matière dégénérée se refroidissant lentement par radiation thermique.

Au regard des nombreuses inconnues physiques qui demeurent encore (désintégration possible du proton, nature de la matière et de l’énergie noires, etc.), il est compliqué de pouvoir définir une durée à partir de laquelle une naine blanche passe au stade de naine noire.

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Selon les astrophysiciens John Barrow et Frank Tipler, cela nécessiterait environ 10¹⁵ années pour que la température d’une naine blanche atteigne 5 K (-268 °C). Dans le cas où les WIMPs — particules candidates à la matière noire — existent, les interactions de celles-ci avec la naine blanche maintiendraient une certaine quantité de chaleur, qui étendrait le délai de refroidissement à au moins 10²⁵ années.

Dans le cas où les naines noires existeraient effectivement, elles seraient extrêmement difficiles, voire impossibles, à observer directement. Leur très basse température serait à l’origine d’un rayonnement trop faible, noyé dans celui du fond diffus cosmologique. La seule manière de les détecter serait donc par l’intermédiaire de leur influence gravitationnelle.

Des naines blanches de type spectrale M0 (en dessous de 3600 °C) et d’un âge estimé entre 11 et 12 milliards d’années ont ainsi été détectées en 2012 grâce au télescope du MDM Observatory.