La matière noire pourrait rendre immortelles les étoiles les plus intérieures de notre galaxie

Les étoiles proches du centre de notre galaxie se comportent de manière bizarre. La matière noire pourrait en être l’explication.

Une équipe de détectives scientifiques (pour ainsi dire) a découvert une nouvelle classe potentielle d'étoiles qui pourraient exister à une année-lumière du centre de la Voie lactée et qui pourraient fonctionner selon un mécanisme inhabituel : l'annihilation de la matière noire. Ce processus produirait sur les étoiles une pression extérieure autre que la fusion de l’hydrogène, les empêchant de s’effondrer gravitationnellement et les rendant essentiellement immortelles, leur jeunesse étant constamment rafraîchie. Les résultats sont publiés sur le arXiv serveur de préimpression.

Collectivement, les étoiles alimentées par la matière noire habiteraient une nouvelle région d’un diagramme établi de longue date qui classe les étoiles en fonction de leur température et de leur luminosité, les éloignant ainsi de la soi-disant séquence principale où existent la grande majorité des étoiles.

Observer notre Centre Galactique, autour duquel tournent les étoiles de la galaxie, est assez difficile, car la région est extrêmement lumineuse. Au centre se trouve un trou noir supermassif, Sagittaire A*, dont la masse est quatre millions de fois celle du soleil. C'est une source brillante d'ondes radio qui a été photographiée en 2022. Les étoiles proches de Sgr A* gravitent autour d'elle à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde (par rapport à la vitesse orbitale du Soleil de 240 km/s).

Ces étoiles intérieures proches, appelées étoiles de l’amas S, sont très déroutantes, avec des propriétés qui ne ressemblent à aucune autre dans la Voie Lactée. Leur origine est inconnue, car l'environnement situé à environ trois années-lumière du centre est considéré comme hostile à la formation d'étoiles. Ils semblent être beaucoup plus jeunes que ce à quoi on pourrait s’attendre s’ils étaient venus d’ailleurs. Le plus mystérieux de tous, c'est qu'ils semblent inhabituellement jeunes, avec moins d'étoiles plus âgées que prévu dans le voisinage et, contre toute attente, il semble y avoir de nombreuses étoiles lourdes.

Les étoiles sont des fours nucléaires, générant de la chaleur brûlant de l'hydrogène via la fusion nucléaire. Le rayonnement thermique résultant de cette réaction, ainsi que la convection thermodynamique du plasma stellaire, exercent une force vers l'extérieur sur les constituants d'une étoile, principalement l'hydrogène et l'hélium. Cette force est contrebalancée par la force intérieure de l’autogravité.

Le diagramme de Hertzsprung-Russell (HR) classe les étoiles en traçant leur luminosité par rapport à la température effective de leur surface. À l'exclusion des naines blanches et des géantes rouges, la « séquence principale » de ce diagramme s'incurve du coin supérieur gauche au coin inférieur droit, et la plupart des étoiles tombent sur cette courbe. (Le soleil tombe près du milieu, car leurs luminosités sont tracées en fonction de leur rapport avec celle du soleil). Les étoiles situées à différents endroits de la séquence correspondent à des étoiles de masses et d’âges différents.

Cependant, la matière noire existe également dans la galaxie. Sa présence a été déduite d'observations qui révèlent une quantité insuffisante de matière ordinaire pour expliquer les vitesses de rotation plus élevées que prévu des étoiles autour du Centre Galactique.

La densité de la matière noire est la plus élevée près du centre et diminue avec la distance. Il est raisonnable de s’attendre à ce qu’elle soit incorporée dans les étoiles proches du centre, là où la matière noire est la plus dense. Si tel était le cas, l’annihilation de la matière noire (particules et antiparticules de matière noire qui entrent en collision et produisent des photons, des électrons, etc.) exercerait une pression extérieure supplémentaire au sein d’une étoile et pourrait même dominer la fusion nucléaire.

Une équipe de recherche de Stockholm et de Stanford a découvert que l'intégration de la puissance de la matière noire dans la dynamique des étoiles les plus intérieures, celles situées à environ un tiers d'année-lumière du centre (l'équivalent d'environ 8 % de la distance jusqu'à l'étoile la plus proche du soleil) – résout bon nombre des paradoxes connus.

Pour intégrer l’annihilation de la matière noire, le groupe a utilisé des paramètres de formation d’étoiles relativement standards au cours de l’évolution de la Voie lactée, et des particules de matière noire à peine plus massives que le proton. En utilisant un modèle informatique d'évolution stellaire, ils ont supposé que les étoiles migrent sur la séquence principale vers le Centre Galactique, puis ils ont commencé à injecter de l'énergie de matière noire dans la composition d'une étoile. L’étoile a ensuite évolué jusqu’à atteindre la branche géante rouge sur le diagramme HR, soit jusqu’à atteindre un âge de 10 milliards d’années, soit la durée de vie de la Voie Lactée.

Ils ont calculé les populations stellaires sans et avec la présence de matière noire. Avec l’énergie sombre, les étoiles plus massives ont connu une densité de matière noire plus faible, et l’hydrogène dans leur noyau a fusionné plus lentement et leur évolution a été ralentie. Mais les étoiles situées dans une région à plus forte densité de matière noire ont été modifiées de manière significative : elles ont maintenu leur équilibre grâce à la combustion de matière noire avec moins ou pas de fusion, ce qui a conduit à une nouvelle population stellaire dans une région HR au-dessus de la séquence principale.

“Nos simulations montrent que les étoiles peuvent survivre uniquement grâce à la matière noire comme carburant”, a déclaré la co-auteure principale Isabelle John de l'Université de Stockholm, “et comme il y a une quantité extrêmement grande de matière noire à proximité du Centre Galactique, ces étoiles deviennent immortelles. ” rester toujours jeune, occuper une nouvelle région distincte et observable du diagramme RH.

Leur modèle de matière noire pourrait peut-être expliquer davantage de mystères connus. “Pour les étoiles plus légères, nous constatons dans nos simulations qu'elles deviennent très gonflées et pourraient même perdre une partie de leurs couches externes”, a déclaré John. Elle a noté que “quelque chose de similaire pourrait être observé au Centre Galactique : les objets dits G, qui pourraient ressembler à des étoiles, mais avec un nuage de gaz autour d'eux”.

Il existe un nombre limité d’étoiles individuelles connues si près du centre galactique, car la région est extrêmement brillante. Les prochains télescopes de 30 mètres pourront voir beaucoup mieux dans la région, ce qui permettra aux scientifiques de mieux comprendre la population de ses étoiles et de vérifier ou d'exclure la séquence principale sombre.

© 2024 Réseau Science X