Une équipe de recherche internationale suggère que les « étoiles Hawking », des étoiles dotées de trous noirs primordiaux centraux, pourraient imiter les étoiles normales et aider à l’exploration de la matière noire et de l’univers primitif. Crédit : Issues.fr.com
Dans un scénario hypothétique, de petits trous noirs primordiaux pourraient être capturés par des étoiles en formation. Une équipe internationale, dirigée par des chercheurs de l’Institut Max Planck d’astrophysique, a modélisé l’évolution de ces « étoiles Hawking » et a découvert qu’elles peuvent avoir une durée de vie étonnamment longue, ressemblant à de nombreux égards à des étoiles normales. L’astérosismologie pourrait aider à identifier de telles étoiles, ce qui pourrait à son tour tester l’existence de trous noirs primordiaux et leur rôle en tant que composant de la matière noire.
Faisons un exercice scientifique : si l’on suppose qu’un grand nombre de très petits trous noirs ont été créés juste après le Big Bang (appelés trous noirs primordiaux), certains d’entre eux pourraient être capturés lors de la formation de nouvelles étoiles. Comment cela affecterait-il l’étoile au cours de sa vie ?
« Les scientifiques posent parfois des questions folles pour en savoir plus », explique Selma de Mink, directrice du département stellaire de l’Institut Max Planck d’astrophysique (MPA). « Nous ne savons même pas si de tels trous noirs primordiaux existent, mais nous pouvons quand même faire une expérience de pensée intéressante. »
Des trous noirs primordiaux se seraient formés au tout début de l’Univers avec une large gamme de masses, allant de la taille d’un astéroïde à des milliers de masses solaires. Ils pourraient constituer un composant important de la matière noire, en plus d’être les germes des trous noirs supermassifs au centre des galaxies actuelles.
Vue d’artiste de la mise en place d’un petit trou noir au centre du Soleil dans le cadre d’une expérience de pensée. Crédit : © MPA, image de fond : Wikimedia/Creative Commons.
Avec une très faible probabilité, une étoile en formation pourrait capturer un trou noir avec la masse d’un astéroïde ou d’une petite lune, qui occuperait alors le centre de l’étoile. Une telle étoile est appelée « étoile Hawking », du nom de Stephen Hawking, qui a proposé cette idée pour la première fois dans un article dans les années 1970. Le trou noir au centre d’une telle étoile Hawking ne grandirait que lentement, car l’afflux de gaz pour alimenter le trou noir est entravé par la luminosité sortante.
Une équipe internationale de scientifiques a désormais modélisé l’évolution d’une telle étoile avec différentes masses initiales pour le trou noir et avec différents modèles d’accrétion pour le centre stellaire. Leur résultat étonnant : lorsque la masse du trou noir est petite, l’étoile est pratiquement impossible à distinguer d’une étoile normale.
« Les étoiles abritant un trou noir en leur centre peuvent vivre étonnamment longtemps », déclare Earl Patrick Bellinger, MPA Postdoc et maintenant professeur adjoint à Université de Yale, qui a dirigé l’étude. « Notre Soleil pourrait même avoir un trou noir aussi massif au niveau de la planète Mercure en son centre sans que nous nous en rendions compte. »
Ces deux diagrammes montrent l’évolution radiale d’une étoile de masse du Soleil sans (à gauche) et avec (à droite) un trou noir de masse initiale similaire à un astéroïde. La ligne continue noire montre le rayon de la photosphère, la ligne pointillée verticale l’âge actuel du Soleil. La région rouge montre où l’hydrogène est converti en hélium lors de la fusion nucléaire, qui fournit l’essentiel de la luminosité solaire jusqu’à ce que le trou noir commence à croître sensiblement (région noire ; pour les âges inférieurs, le trou noir est trop petit pour être vu sur ce graphique) . Le trou noir entraîne la convection (trappes), qui mélange les parties les plus internes de l’étoile. Notez la mise à l’échelle différente des axes y Crédit : © MPA
La principale différence entre une telle étoile Hawking et une étoile normale se situerait à proximité du noyau, qui deviendrait convectif en raison de l’accrétion sur le trou noir. Cela ne modifierait pas les propriétés de l’étoile à sa surface et échapperait aux capacités de détection actuelles. Cependant, cela pourrait être détectable dans le domaine relativement nouveau de l’astérosismologie, où les astronomes utilisent des oscillations acoustiques pour sonder l’intérieur d’une étoile.
Également dans leur évolution ultérieure, dans la phase géante rouge, le trou noir pourrait conduire à des signatures caractéristiques. Avec des projets à venir tels que PLATO, de tels objets pourraient être découverts. Cependant, d’autres simulations sont nécessaires pour déterminer les implications de l’implantation d’un trou noir dans des étoiles de masses et métallicités diverses.
Si les trous noirs primordiaux se sont effectivement formés peu après Big Bang, la recherche des étoiles Hawking pourrait être un moyen de les trouver. « Même si le Soleil est utilisé comme exercice, il y a de bonnes raisons de penser que les étoiles de Hawking seraient communes dans les amas globulaires et les galaxies naines ultra-faibles », souligne le professeur Matt Caplan de l’Illinois State University, co-auteur de l’étude.
« Cela signifie que les étoiles Hawking pourraient être un outil permettant de tester à la fois l’existence de trous noirs primordiaux et leur rôle possible en tant que matière noire. »
