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La matière noire a-t-elle fait briller les premières étoiles ?

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Un groupe de chercheurs américains continue d'explorer l'idée que la première génération d'étoiles de l'Univers devait probablement tirer son énergie non des réactions de fusion thermonucléaire mais de l'annihilation de particules de matière noire. Cela pourrait expliquer l'origine des trous noirs géants.

Ce schéma montre l'évolution comparée classique d'une étoile massive de première génération, dite encore de type III, avec en bas celle du Soleil. En fait, les premières étoiles dépassaient peut-être bien les 100 masses solaires dans l'hypothèse des Dark Stars. Crédit : John D. Johnson

Plusieurs observations indépendantes, au sein des fluctuations de température et de polarisation du rayonnement fossile et dans les collisions entre deux amas de galaxies, établissent l'existence de la matière noire dans l'Univers.

Une preuve incontestable serait toutefois de produire des particules de matière noire sur Terre, par exemple avec le LHC. Mais il semble tout simplement impossible d'expliquer les observations sans l'existence de la matière noire, même si tous les effets qu'on lui attribue tirent peut-être une partie de leur existence d'une modification de la théorie de la gravitation.

Si l'on en croit le modèle de la matière noire froide, la majorité de la matière dans l'univers observable est constituée de particules non baryoniques. Ce ne sont donc ni des protons ni des neutrons. Plusieurs hypothèses existent sur la nature de ces particules. Il pourrait s'agir de neutralinos par exemple, des particules prédites naturellement par les extensions supersymétriques du modèle standard.

Plus généralement on parle aussi de Wimps, l'acronyme anglais de Weakly Interacting Massive Particles. Ces hypothétiques particules massives seraient découplées du champ électromagnétique mais pourraient être sensibles aux interactions faibles ou à d'autres interactions très peu intenses. Certaines Wimps possèdent des antiparticules et elles peuvent s'annihiler en libérant de l'énergie

La matière noire plus forte que la fusion thermonucléaire !

Si la matière noire domine la matière normale, elle devait aussi être assez dense pendant les premières centaines de millions d'années de l'univers observable. En toute logique, les premières étoiles nées à l'intérieur de halos de matière noire dans les protogalaxies devaient en contenir des quantités non négligeables, contrairement aux jeunes étoiles se formant aujourd'hui. Ce devait être en particulier le cas au centre des premières galaxies en formation. C'est pourquoi déjà en 2007, Katherine Freese, de l'Université du Michigan, et Paolo Gondolo, de l'Université de l'Utah avaient proposé que la première génération d'étoiles du cosmos brillait en fait grâce à la matière noire.

Avec leurs collègues, ces chercheurs ont approfondi cette idée dans plusieurs publications récentes. Le concept d'étoile noire, Dark Star en anglais, est donc devenu plus précis et plus convaincant. En particulier, des modèles de structure stellaire adaptés à ces Dark Stars (DS) ont été calculés et les résultats sont plutôt encourageants.

Le processus de formation de ces premières étoiles est assez classique au départ, la seule différence étant que de la matière noire en quantité non négligeable est accrétée par la proto-étoile. Des annihilations de Wimps se produisent et, comme le taux d'énergie libérée est supérieur à celui obtenu par des réactions de fusion normales, c'est lui qui va dominer la vie de la jeune étoile.

Alors qu'une masse d'environ 140 fois celle du Soleil représente la limite à l'existence d'une étoile classique, une DS peut retenir une masse de 500, 1.000 masses solaires et probablement plus (selon Katherine Freese, le million de masses solaires n'est pas à exclure). Ces résultats sont très intéressants car une fois le carburant en matière noire épuisé, les DS ont toutes les chances de se transformer en trous noirs. Or, des masses de quelques centaines à un million de masses solaires sont précisément ce dont on a besoin pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs existant dans presque toutes les galaxies.

Ainsi, des trous noirs dit intermédiaires, car beaucoup plus massifs que les trous noirs d'origine stellaire mais plus légers que les trous noirs galactiques, sont souvent évoqués pour expliquer la formation de ces derniers. Des trous noirs intermédiaires fusionnant lors de la collision de galaxies naines au début de l'histoire du cosmos sont un bon moyen d'expliquer la formation des trous noirs supermassifs dépassant le million de masses solaires.

Comment tester l'existence dans un passé reculé d'étoiles noires ?

En fait, ces étoiles seraient aussi lumineuses que des étoiles normales sauf qu'elles seraient plus diffuses, plus froides et de tailles supérieures à celles des supergéantes. A priori, elles ne devraient briller que quelques millions d'années tout au plus, même si le chiffre d'un milliard d'années n'est pas à exclure dans certains cas. Cette population de DS n'ayant existé que dans les premières centaines de millions d'années de l'histoire de l'univers observable, elle ne devrait pouvoir être détectée que dans le domaine infrarouge du fait du décalage spectral.

Une fois épuisé leur carburant en matière noire, les DS se comporteraient pendant un temps bref commme des étoiles de premières génération classiques. Elles pourraient aussi devenir des supernovae particulièrement brillantes avant de s'effondrer en trous noirs.

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