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Des étoiles noires à l'aube des temps ?

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Comment sont nées les premières étoiles de l'Univers, il y a plus de 13 milliards d'années ? Selon quelques astrophysiciens, elles pourraient avoir été constituées en partie de matière noire et leur masse devait dépasser plusieurs centaines de masses solaires.

La chronologie de l'Univers avec l'apparition des premières étoiles

Les premières étoiles de l'Univers sont nées à partir de fluctuations de densité dans les nuages d'hydrogène et d'hélium au début des âges sombres de l'Univers. Ces fluctuations de densité ont probablement été produites par des fluctuations quantiques bien avant le premier milliardième de seconde de notre Univers observable. Si l'on pense que l'Univers primitif a bien connu une phase d'inflation, et cela est très probable d'après les observations de WMap, ces fluctuations ont été amplifiées par la brusque dilatation de l'espace et c'est donc grâce à elles que nous existons aujourd'hui.

Il faut pourtant savoir que ce seul mécanisme ne suffit pas pour former les structures que l'on observe aujourd'hui comme les étoiles et les amas de galaxies. Si l'on n'introduit pas une composante de matière noire importante dans le cosmos, la pression de radiation régnant dans l'Univers avant la recombinaison, 380.000 ans après le Big Bang, tendait à s'opposer à l'effondrement gravitationnel de la matière normale. C'est parce qu'il existait une composante noire et insensible à la pression du gaz de photon que l'effondrement de la matière normale a pu être catalysé et accéléré par la formation préalable de condensations de matière noire.

Tout naturellement Paolo Gondolo, un chercheur de l'Université de l'Utath et ses collègues Katherine Freese de l' Université du Michigan (Ann Arbor), Douglas Spolyar de l'Université de Californie (Santa Cruz) se sont interrogés sur la possible formation d'étoiles de population III contenant une part importante de matière noire.

La source d'énergie des étoiles noires : l'annihilation des neutralinos

D'après eux, au moins une fraction des premières étoiles, dont on pense qu'elles devaient être très massives, pouvaient tirer une partie de leur énergie de l'annihilation de particules de matière noire. On sait en effet, dans le cadre des théories supersymétriques, qu'il peut exister des particules neutres et massives appelées des neutralinos, capables de s'annihiler en donnant des quarks et des anti-quarks, qui à leur tour produiraient dans ces premières étoiles des neutrinos, des rayons gamma ainsi que des électrons et des positrons.

La chaleur dégagée par tous ces processus aurait chauffé les nuages de gaz des protoétoiles en train de s'effondrer, ce qui, au final, en stoppant momentanément leur contraction, aurait donné des étoiles gigantesques dont la taille pouvait être comprise entre 4 et 2.000 unités astronomiques, de quoi englober 15.000 systèmes solaires.

Mais de telles étoiles apparaîtraient essentiellement noires dans la bande visible !

Un destin encore incertain

Alors qu'elles se seraient formées entre 80 à 100 millions d'années après le Big Bang, leur destin est à ce jour incertain. Pour Gondolo, elles pourraient tout aussi bien n'avoir existé que quelques mois, 600 millions d'années et peut-être des milliards d'années pour certaines.

Il faudrait faire des simulations numériques détaillées de ces étoiles géantes, et probablement bien connaître le type de particules de matière noire capable de se comporter comme un neutralino. Nous n'en sommes pas encore là.

Ces étoiles pourraient avoir d'autres implications pour l'astrophysique et la cosmologie. Il y avait beaucoup de trous noirs très tôt dans l'histoire de l'Univers, et l'on comprend mal comment ils ont pu apparaître si vite. Les étoiles de matière noire pourraient bien avoir été les progénitrices des trous noirs géants que l'on trouve associés aux galaxies, sans parler d'un possible rôle dans la réionisation de l'Univers.

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