Vue d'artiste de la fusion d'étoiles bosoniques. (Nicolás Sanchis-Gual et Rocío García Souto/IGFAE) Le 21 mai 2019, à une distance de 7 milliards d'années-lumière, notre onde gravitationnelle les détecteurs ont été secoués par la collision la plus massive à ce jour. De l'analyse du signal, les astronomes ont conclu que la détection était le résultat de deux trous noirs se brisant ensemble, pesant respectivement 66 et 85 fois la masse du Soleil.
Et si c'était autre chose ? Une nouvelle étude propose une interprétation différente de l'événement. Il est possible, selon une équipe internationale d'astrophysiciens, que les deux objets ne soient pas du tout des trous noirs, mais de mystérieux objets théoriques appelés boson stars - potentiellement composées de candidats insaisissables pour matière noire .
L'événement d'onde gravitationnelle, appeléGW190521, a été une découverte spectaculaire. L'objet issu de la fusion des deux objets aurait été un trou noir à environ 142 fois la masse du Soleil - dans la plage de masse intermédiaire qu'aucun trou noir n'avait jamais été détectée auparavant, appelée écart de masse supérieur du trou noir.
C'était extrêmement soigné, mais il y avait un énorme casse-tête - le trou noir de 85 masses solaires prétendument impliqué dans la collision. Selon nos modèles, les trous noirs d'environ 65 masses solaires ne peuvent pas se former à partir d'une seule étoile, comme les trous noirs de masse stellaire.
C'est parce que les étoiles précurseurs qui produiraient un trou noir dans cette gamme de masse sont si massives que leurs supernovae - connues sous le nom de supernovae à instabilité de paires - devrait complètement effacer le noyau stellaire, ne laissant rien derrière qui pourrait s'effondrer gravitationnellement dans un trou noir.
Alors que notre compréhension de la formation des étoiles comme 'des jumeaux' ne permet pas parfaitement que des paires de trous noirs stellaires naissent suffisamment proches pour se combiner, il est probable que l'explication soit la fusion de deux trous noirs plus petits. Mais si nous nous basons uniquement sur les données, un autre modèle convient encore mieux.
Il est possible que le trou noir ait été le produit d'une fusion antérieure entre deux petits trous noirs. Dirigée par Juan Calderón Bustillo de l'Institut galicien de physique des hautes énergies en Espagne, l'équipe de recherche a déterminé que les étoiles bosoniques correspondraient parfaitement aux chiffres.
'Nos résultats montrent que les deux scénarios sont presque impossibles à distinguer compte tenu des données, bien que l'hypothèse de l'étoile boson exotique soit légèrement préférée', a déclaré l'astrophysicien José Font de l'Université de Valence en Espagne.
«C'est très excitant, car notre modèle boson-étoile est, pour l'instant, très limité et sujet à des améliorations majeures. Un modèle plus évolué pourrait conduire à des preuves encore plus importantes de ce scénario et nous permettrait également d'étudier les observations précédentes d'ondes gravitationnelles sous l'hypothèse de fusion boson-étoile.
Les étoiles boson sont, pour le moment, purement théoriques, et n'ont jamais été détectées auparavant, mais elles intéressent de plus en plus les astronomes, notamment dans la recherche de matière noire.
Ils sont, comme les trous noirs, prédits par relativité générale , et sont capables de croître jusqu'à des millions de masses solaires à une taille très compacte.
Comme nous avonsSignalé précédemment, où les étoiles sont principalement composées de particules appelées fermions - les protons, les neutrons, les électrons, les éléments qui forment les parties les plus substantielles de notre Univers - les étoiles à bosons seraient entièrement constituées debosons. Ces particules - dont les photons, les gluons et les fameux le boson de Higgs - ne suivent pas les mêmes règles physiques quefermions.
fermion sont soumis à la principe d'exclusion de Pauli , ce qui signifie que vous ne pouvez pas avoir deux particules ou plus avec exactement les mêmes états quantiques, ce qui inclut l'espace dans lequel elles se trouvent. Bosons , cependant, peuvent être superposées ; lorsqu'ils se rejoignent, ils agissent comme une grosse particule ou vague de matière . Nous le savons, car cela a été fait en laboratoire, produisant ce que nous appelons unCondensat de Bose-Einstein.
Dans le cas des étoiles à bosons, les particules peuvent être comprimées dans un espace qui peut être décrit avec des valeurs distinctes ou des points sur une échelle. Étant donné le bon type de bosons dans les bons arrangements, ce «champ scalaire» pourrait tomber dans un arrangement relativement stable.
Les étoiles de Boson pourraient en faitressemble beaucoup à des trous noirs, à une exception près : ils n'ont pas de surface absorbante qui arrêterait les photons, ni d'horizon des événements, ils apparaîtraient donc totalement transparents. Ce sont essentiellement des gouttes compactes de Condensat de Bose-Einstein dans l'espace.
Les innombrables particules qui composent ces étoiles massives devraient ironiquement être incroyablement légères, avec des millions de fois moins de masse qu'un électron.
Fait intéressant, ce type de boson ultra-léger serait également un candidat pour la matière noire - la masse inconnue et invisible responsable de toute la gravité supplémentaire flottant autour de l'Univers dont nous ne pouvons pas tenir compte. Ainsi, la découverte d'étoiles bosoniques contribuerait au moins en partie à résoudre l'un des plus grands mystères du cosmos.
Selon les calculs de l'équipe, si GW 190521 était une fusion entre deux étoiles bosoniques, les masses et les distances impliquées seraient différentes, mais cela résoudrait le problème de ce trou noir de 85 masses solaires.
'Premièrement, nous ne parlerions plus de trous noirs en collision, ce qui élimine le problème de la gestion d'un trou noir' interdit '', Calderón Bustillo a dit .
«Deuxièmement, parce que les fusions d'étoiles boson sont beaucoup plus faibles, nous en déduisons une distance beaucoup plus proche que celle estimée par LIGO et Virgo. Cela conduit à une masse beaucoup plus grande 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 reste vrai.
Dans le scénario de l'équipe, lorsque les deux étoiles boson sont entrées en collision, elles ont formé une étoile boson plus grande qui aurait pu devenir instable et s'effondrer dans un trou noir, il est donc en fait impossible de dire si l'interprétation de l'étoile boson est correcte, même si nous pouvions voir clairement sur la distance révisée de 1,9 milliard d'années-lumière.
Au lieu de cela, l'analyse nous donne les outils pour étudier les événements d'ondes gravitationnelles de masse intermédiaire à l'avenir dans le contexte des étoiles à bosons ainsi que des trous noirs, dans l'espoir de trouver des réponses à l'avenir.
'Si cela est confirmé par une analyse ultérieure de cette observation et d'autres observations d'ondes gravitationnelles', a déclaré l'astrophysicien Carlos Herdeiro de l'Université d'Aveiro au Portugal, 'notre résultat fournirait la première preuve d'observation d'un candidat de matière noire longtemps recherché'.
La recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique .