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Alors que l’on estimait que les ondes gravitationnelles détectées l’année passée résultaient de la plus importante collision de trous noirs jamais enregistrée, une équipe internationale d’astrophysiciens propose aujourd’hui une alternative exotique, impliquant plutôt deux étoiles à bosons, objets hypothétiques invisibles et particulièrement denses.

Une nouvelle théorie « exotique »

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le maillage même de l’espace-temps, produites dans certains des cataclysmes les plus énergétiques du cosmos (généralement des collisions entre des trous noirs et/ou des étoiles à neutrons). Des instruments incroyablement sophistiqués, exploités par la collaboration LIGO/Virgo (LVC), captent ces ondes lorsqu’elles passent au-dessus de la Terre, et les signaux peuvent ensuite être analysés pour connaître les masses des objets impliqués dans la fusion initiale.

Environ 50 signaux d’ondes gravitationnelles ont été détectés depuis leur découverte initiale en 2015, avec un événement particulièrement intéressant, connu sous le nom de GW190521, décrit par la LVC en septembre 2020. Possédant des masses 65 et 85 fois supérieures à celle du Soleil, les deux objets entrés en collision étaient les plus massifs jamais détectés par cette méthode, et l’objet créé par la suite représentait 142 masses solaires, le plaçant dans une classe rare de trous noirs de masse intermédiaire (IMBH).

Avec de telles masses, les objets originaux ont été présumés être des trous noirs, bien qu’exceptionnellement imposants. Mais aujourd’hui, une équipe d’astrophysiciens a avancé une nouvelle explication qui pourrait mieux convenir : une collision entre deux objets exotiques appelés étoiles à bosons.

Comme leur nom l’indique, ces astres, s’ils existent, seraient principalement composés de bosons, l’une des deux classes de particules élémentaires (les étoiles classiques étant quant à elles surtout composées de l’autre classe, appelées fermions). Ces objets fonctionneraient théoriquement comme des trous noirs, aspirant la matière de leur environnement grâce à leur force d’attraction gravitationnelle phénoménale, mais avec une différence majeure.

Représentation artistique de la collision de deux étoiles à bosons, émettant des ondes gravitationnelles — © Nicolás Sanchis-Gual and Rocío García-Souto

Des objets invisibles et particulièrement denses

S’il est bien connu que la lumière elle-même ne peut s’échapper d’un trou noir, les étoiles à bosons ne possèdent pas une telle spécificité, ce qui signifie que ces objets exotiques ne seraient pas noirs, mais transparents et largement invisibles.

Dans le cadre de travaux présentés dans la revue Physical Review Letters, les chercheurs ont simulé des fusions d’étoiles à bosons et ont découvert qu’elles produiraient un signal conforme à la détection de l’événement GW190521 l’année dernière. En fait, l’équipe affirme que ces astres constituent une explication encore plus solide que celle impliquant des trous noirs.

Le principal problème concernant la théorie des trous noirs en collision reste que la masse de l’un de ces objets ne rentrerait pas dans les catégories acceptées. Il existe des trous noirs de masse stellaire, formés à partir de l’effondrement d’étoiles et possédant des masses comprises entre cinq et quelques dizaines de soleils, ainsi que les trous noirs de masse intermédiaire mentionnés plus haut (entre 100 et 10 000 masses solaires). Avec 85 masses solaires, les objets impliqués dans l’évènement GW190521 tombent donc dans une plage de masse « interdite ».

Mais bien que la théorie des étoiles à bosons supprime cet obstacle, elle le fait cependant en en introduisant un autre. Sachant que l’hypothèse révisée modifierait également d’autres propriétés de la collision.

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D’importantes implications pour notre compréhension du cosmos

« Premièrement, nous ne parlerions plus de collision de trous noirs, ce qui éliminerait la question du traitement d’un trou noir ‘interdit’ », estime Juan Calderón Bustillo, un des auteurs de l’étude. « Deuxièmement, comme les fusions d’étoiles à bosons sont beaucoup plus faibles, cela impliquerait une distance beaucoup plus réduite que celle estimée par la LVC, conduisant à une masse beaucoup plus importante pour le trou noir final, d’environ 250 masses solaires, donc le fait que nous ayons assisté à la formation d’un trou noir de masse intermédiaire resterait vrai. »

Bien que l’équipe affirme qu’il pourrait s’agir de la première preuve de l’existence d’étoiles à bosons, tout cela reste encore très spéculatif. Des études plus approfondies et des simulations améliorées seront nécessaires pour étudier cette possibilité.

Si l’étude résiste à un examen approfondi, les implications iront bien au-delà de la confirmation de nouveaux objets célestes. Elles pourraient aider à élucider l’un des mystères les plus déroutants de la cosmologie : la matière noire. Pour que les étoiles à bosons existent, il faudrait qu’elles soient composées d’un boson stable « autorépulsif » et qu’une particule hypothétique appelée axion (considéré comme un candidat de premier plan pour les particules de matière noire) soit également impliquée.

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