A-t-on observé la collision de deux étoiles à bosons ?

Vue d’artiste de la fusion de deux étoiles à bosons. © N. Sanchis-Gual et R. García-Souto
Un couple de trous noirs aurait fusionné, mais l’origine de l’un d’eux pose problème et laisse penser qu’il pourrait en fait s’agir d’étoiles de la taille d’un atome, faites de particules agglutinées.

Le 21 mai 2019, les observatoires d’ondes gravitationnelles Ligo et Virgo détectaient la plus massive des fusions entre deux astres de 66 et 85 fois la masse du Soleil, à 7 milliards d’années-lumière de nous. Avec de telles masses, il devrait s’agir de trous noirs. Mais il y a un hic : théoriquement, aucune étoile ne peut former un trou noir de plus de 65 masses solaires ! Aussi, l’équipe menée par Juan Calderon Bustillo (université Santiago de Compostela, Espagne) propose une solution originale : ce ne seraient pas des trous noirs qui auraient fusionné, mais des étoiles à bosons !

Le 21 mai 2019, les deux sites de Ligo aux États-Unis et Virgo en Italie enregistrent le passage d’ondes gravitationnelles intenses. Est-ce le résultat de la fusion de deux trous noirs, à 16 milliards d’années-lumière ? Ou alors celle d’étoiles à bosons, encore jamais observée ? © Ligo and Virgo Collaborations
Le 21 mai 2019, les deux observatoires de Ligo aux États-Unis et celui de Virgo en Italie enregistrent le passage d’ondes gravitationnelles intenses. Est-ce le résultat de la fusion de deux trous noirs, à 16 milliards d’années-lumière ? Ou alors celle d’étoiles à bosons, encore jamais observée ? © Ligo and Virgo Collaborations

Très spéculatifs, ces astres ne seraient pas faits de matière ordinaire comme l’hydrogène, mais de particules appartenant à la famille des bosons. Ces derniers sont généralement porteurs des interactions fondamentales — par exemple, le photon, particule de lumière responsable de l’interaction électromagnétique. Afin de comprendre le pourquoi d’une telle idée, remontons à l’origine de ces fameuses ondes gravitationnelles.

Un couple inattendu

Ces déformations de l’espace-temps sont entre autres engendrées quand deux corps se tournent autour. Elles se propagent alors autour d’eux, à la vitesse de la lumière, sans que rien ne les arrête. Mais pour cela, il faut de l’énergie ! Celle-ci est prise au détriment du couple dont les composantes se rapprochent jusqu’à finir par fusionner. Cet évènement spectaculaire crée à son tour des ondes gravitationnelles de grande amplitude dont les caractéristiques permettent de déterminer la masse des deux protagonistes : 66 et 85 fois celle du Soleil, pour l’évènement du 21 mai 2019, nommé GW190521, qui a donné naissance à un trou noir de 142 masses solaires.

Juan Calderon Bustillo (université Santiago de Compostela, Espagne)
J. Calderon Bustillo © UIB

Des astres aussi massifs devraient être des trous noirs, mais un tel objet de 85 masses solaires ne peut pas être issu d’une étoile. Se pose alors le problème de son origine. « Les trous noirs entre 65 et 130 masses solaires n’existent généralement pas, car ils devraient être produits par des étoiles autour de 130 à 250 masses solaires, explique Juan Calderon Bustillo. Or, quand des étoiles aussi massives explosent, elles sont complètement détruites et ne laissent aucun trou noir derrière elles ». Pourrait-il s’agir alors d’un trou noir de 85 masses solaires issu d’une fusion précédente ? « Ce serait le scénario le plus classique pour expliquer son existence. Mais cela ne peut se produire que dans un environnement dense, riche en astres comme un amas globulaire. En effet, les trous noirs qui se forment à la suite de fusions peuvent filer à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres/seconde », poursuit l’astronome.

Ce serait donc un miracle qu’un trou noir de 85 masses solaires fonçant à cette vitesse soit capturé par un autre dans une zone pauvre en astres pour subir une seconde fusion ! Vient alors l’idée que le couple à l’origine de GW190521 serait moins ordinaire que des trous noirs. Il pourrait s’agir d’étoiles jamais observées jusqu’ici : des étoiles à bosons !

Des étoiles transparentes

« Les bosons sont des particules qui peuvent s’agglutiner et se comporter comme un seul objet, une étoile de la taille d’un atome ! explique Juan Calderon Bustillo. Parce que ces bosons interagissent peu avec leur environnement, les étoiles à bosons ne sont pas brillantes, mais essentiellement transparentes à la lumière de sorte qu’il n’y a aucun moyen de les observer directement. On pourrait seulement les détecter via l’attraction gravitationnelle qu’elles exercent sur les objets qui les entourent ou via les ondes gravitationnelles. »

À partir des observations de GW190521, les astronomes ont pu déduire que les bosons incriminés seraient ultralégers, mais ce n’est pas tout ! En effet, la fusion à l’origine de GW190521 aurait été relativement frontale alors que le trou noir résultant tourne très vite. Si les parents de GW190521 sont des étoiles à bosons, il faut donc qu’elles tournent aussi, car il est impossible que deux objets sans rotation se percutent frontalement et donnent naissance à un autre qui fait la toupie ! « Ceci nous indique que les étoiles à bosons seraient des “étoiles de Proca”, précise Juan Calderon Bustillo. Elles sont faites d’un type particulier de bosons ayant un spin 1. »

Le spin est une propriété d’une particule au même titre que sa masse et sa charge électrique. Dans ces conditions, la fusion de deux étoiles de Proca constituées de bosons ultralégers de spin 1 reproduit aussi bien les observations de GW190521 qu’une paire de trous noirs, mais en expliquant la présence d’un progéniteur de 85 masses solaires. Mais alors, comment distinguer une étoile de Proca d’un trou noir ? « Il faudrait pouvoir obtenir des images directes, indique Hector Olivares, de l’université Radboud de Nijmegen (Pays-Bas), car les images des disques d’accrétion de ces deux types d’objets seraient différentes. Mais ici, GW190521 est trop loin ! Une autre manière serait de les distinguer par leurs ondes gravitationnelles, car la matière qui compose une paire d’étoiles à bosons font qu’elles interagissent différemment d’un duo de trous noirs. Sous certaines circonstances, ces étoiles pourraient par exemple passer l’une à travers l’autre sans dommage. Hélas dans le cas de GW190521, la paire est détruite ».

D’autres mesures nécessaires

Difficile donc de confirmer une découverte d’étoiles à bosons à l’aide de la seule détection de GW190521. « Nous avons besoin d’observer plus de fusions compatibles avec notre modèle d’étoiles à bosons et de vérifier deux choses, annonce Juan Calderon Bustillo. Tout d’abord que la fusion d’étoiles à bosons reproduit mieux les observations que celle de trous noirs. Ensuite que la masse du boson que nous avons calculée avec GW190521 reste la même pour d’autres détections d’ondes gravitationnelles. Il faut également noter que les modèles de fusions de trous noirs sont développés depuis près de 20 ans, alors que ceux d’étoiles de Proca n’en sont qu’à leur début. » Un point théorique qu’il faudra absolument améliorer pour confronter le modèle des étoiles de Proca à de futures observations. Avec une autre bonne nouvelle à la clé si l’existence de telles étoiles se trouvait confirmée, celle de la détection d’une matière noire qui serait alors constituée de ces fameux bosons.

Le détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo est installé en Italie, près de Pise. © Virgo Collab.
Le détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo, près de Pise. L’équipe de Juan Calderon Bustillo attend qu’il capte de nouvelles fusions d’astres massifs pour conforter leur hypothèse sur les étoiles à bosons. © Virgo Collab.

 

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