Les étoiles alimentées par la matière noire doivent encore être prouvées mais pourraient révéler des indices sur la nature de l’un des grands mystères de l’univers

Une équipe de trois astrophysiciens — Katherine Freese de l’Université du Texas à Austin, en collaboration avec Cosmin Ilie et Jillian Paulin ’23 de l’Université Colgate — a analysé les images du télescope spatial James Webb (JWST) et a trouvé trois objets brillants qui pourraient être des “étoiles noires”, des objets théoriques beaucoup plus grands et plus brillants que notre soleil, alimentés par des particules de matière noire qui s’annihilent. Si elles sont confirmées, les étoiles noires pourraient révéler la nature de la matière noire, l’un des problèmes non résolus les plus profonds de toute la physique.

“Découvrir un nouveau type d’étoile est assez intéressant en soi, mais découvrir que c’est la matière noire qui alimente cela – ce serait énorme”, a déclaré Freese, directeur de l’Institut Weinberg de physique théorique et de la chaire Jeff and Gail Kodosky Endowed Chair in Physique à UT Austin.

Bien que la matière noire représente environ 25 % de l’univers, sa nature a échappé aux scientifiques. Les scientifiques pensent qu’il s’agit d’un nouveau type de particule élémentaire, et la chasse pour détecter de telles particules est lancée. Parmi les principaux candidats figurent les particules massives à faible interaction. Lorsqu’elles entrent en collision, ces particules s’annihilent, déposant de la chaleur dans des nuages ​​d’hydrogène qui s’effondrent et les convertissent en étoiles sombres brillantes. L’identification d’étoiles noires supermassives ouvrirait la possibilité d’en savoir plus sur la matière noire en fonction de leurs propriétés observées.

La recherche est publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

Les observations de suivi du JWST sur les propriétés spectroscopiques des objets – y compris les creux ou l’excès d’intensité lumineuse dans certaines bandes de fréquences – pourraient aider à confirmer si ces objets candidats sont bien des étoiles noires.

Confirmer l’existence d’étoiles noires pourrait également aider à résoudre un problème créé par JWST : il semble y avoir trop de grandes galaxies trop tôt dans l’univers pour correspondre aux prédictions du modèle standard de cosmologie.

“Il est plus probable que quelque chose dans le modèle standard ait besoin d’être ajusté, car proposer quelque chose d’entièrement nouveau, comme nous l’avons fait, est toujours moins probable”, a déclaré Freese. “Mais si certains de ces objets qui ressemblent à des galaxies primitives sont en fait des étoiles noires, les simulations de formation de galaxies concordent mieux avec les observations.”

Les trois étoiles noires candidates (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 et JADES-GS-z11-0) ont été initialement identifiées comme des galaxies en décembre 2022 par le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). À l’aide d’une analyse spectroscopique, l’équipe JADES a confirmé que les objets ont été observés à des moments allant d’environ 320 millions à 400 millions d’années après le Big Bang, ce qui en fait l’un des premiers objets jamais vus.

“Lorsque nous examinons les données de James Webb, il existe deux possibilités concurrentes pour ces objets”, a déclaré Freese. “L’une est que ce sont des galaxies contenant des millions d’étoiles ordinaires de population III. L’autre est que ce sont des étoiles noires. Et croyez-le ou non, une étoile noire a suffisamment de lumière pour rivaliser avec toute une galaxie d’étoiles.”

Les étoiles noires pourraient théoriquement atteindre plusieurs millions de fois la masse de notre soleil et jusqu’à 10 milliards de fois plus brillantes que le soleil.

“Nous avions prédit en 2012 que des étoiles noires supermassives pourraient être observées avec JWST”, a déclaré Ilie, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’Université Colgate. “Comme le montre notre article récemment publié PNAS article, nous avons déjà trouvé trois candidats étoiles noires supermassives lors de l’analyse des données JWST pour les quatre objets JADES à décalage vers le rouge élevés confirmés par spectroscopie par Curtis-Lake et al, et je suis convaincu que nous en identifierons bientôt beaucoup plus.”

L’idée des étoiles noires est née d’une série de conversations entre Freese et Doug Spolyar, alors étudiant diplômé à l’Université de Californie à Santa Cruz. Ils se sont demandé : qu’est-ce que la matière noire fait aux premières étoiles à se former dans l’univers ? Ensuite, ils ont contacté Paolo Gondolo, un astrophysicien de l’Université de l’Utah, qui a rejoint l’équipe. Après plusieurs années de développement, ils ont publié leur premier article sur cette théorie dans la revue Lettres d’examen physique En 2008.

Ensemble, Freese, Spolyar et Gondolo ont développé un modèle qui ressemble à ceci : au centre des premières protogalaxies, il y aurait des amas très denses de matière noire, ainsi que des nuages ​​d’hydrogène et d’hélium gazeux. Au fur et à mesure que le gaz se refroidissait, il s’effondrerait et entraînerait de la matière noire avec lui. Au fur et à mesure que la densité augmentait, les particules de matière noire s’annihilaient de plus en plus, ajoutant de plus en plus de chaleur, ce qui empêcherait le gaz de s’effondrer jusqu’à un noyau suffisamment dense pour supporter la fusion comme dans une étoile ordinaire. Au lieu de cela, il continuerait à rassembler plus de gaz et de matière noire, devenant gros, gonflé et beaucoup plus brillant que les étoiles ordinaires. Contrairement aux étoiles ordinaires, la source d’énergie serait uniformément répartie, plutôt que concentrée dans le noyau. Avec suffisamment de matière noire, les étoiles noires pourraient devenir plusieurs millions de fois la masse de notre soleil et jusqu’à 10 milliards de fois plus brillantes que le soleil.

Le financement de cette recherche a été fourni par le programme du Bureau de physique des hautes énergies du Département américain de l’énergie et le Vetenskapsradet (Conseil suédois de la recherche) du Centre Oskar Klein pour la physique des cosmoparticules à l’Université de Stockholm.