Une équipe internationale de scientifiques dirigée par l'Institut galicien de physique des hautes énergies (IGFAE) et l'Université d'Aveiro montre que la collision de trou noir la plus lourde jamais observée, produit par l'onde gravitationnelle GW190521, pourrait en fait être quelque chose d'encore plus mystérieux :la fusion de deux étoiles à bosons. Ce serait la première preuve de l'existence de ces objets hypothétiques, qui sont candidats à la matière noire, On pense qu'ils représentent 27 % de la masse de l'univers.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de l'espace-temps qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Ceux-ci proviennent des événements les plus violents de l'univers, portant des informations sur leurs sources. Depuis 2015, les deux détecteurs LIGO aux États-Unis et le détecteur Virgo à Cascina, Italie, ont détecté et interprété des ondes gravitationnelles. À ce jour, ces détecteurs ont déjà observé une cinquantaine de signaux d'ondes gravitationnelles. Tous ces phénomènes ont pour origine les collisions et les fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons, permettant aux physiciens d'approfondir les connaissances sur ces objets.

Cependant, la promesse des ondes gravitationnelles va bien plus loin que cela, car ceux-ci devraient éventuellement nous fournir des preuves d'objets auparavant non observés et même inattendus, et faire la lumière sur les mystères actuels comme la nature de la matière noire. Ce dernier peut, cependant, sont déjà arrivés.

En septembre 2020, la collaboration LIGO et Virgo (LVC) a annoncé au monde le signal d'ondes gravitationnelles GW190521. Selon leur analyse, le signal était cohérent avec la collision de deux trous noirs lourds, de 85 et 66 fois la masse du soleil, qui a produit un trou noir final avec 142 masses solaires. Le trou noir résultant était le premier d'un nouveau, famille de trous noirs auparavant inobservée :trous noirs de masse intermédiaire. Cette découverte est d'une importance capitale, en tant que tels, les trous noirs étaient le chaînon manquant entre deux familles de trous noirs bien connues :les trous noirs de masse stellaire qui se forment à partir de l'effondrement d'étoiles, et des trous noirs supermassifs qui résident au centre de presque toutes les galaxies, y compris la Voie lactée.

En outre, cette observation est venue avec un énorme défi. Si ce que nous pensons savoir sur la façon dont les étoiles vivent et meurent est correct, le plus lourd des trous noirs en collision (85 masses solaires) n'a pu se former à partir de l'effondrement d'une étoile en fin de vie, ce qui ouvre une série de doutes et de possibilités sur ses origines.

Dans un article publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , une équipe de scientifiques dirigée par le Dr Juan Calderón Bustillo à l'Institut galicien de physique des hautes énergies (IGFAE), centre commun de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle et Xunta de Galicia, et le Dr Nicolás Sanchis-Gual, chercheur postdoctoral à l'Université d'Aveiro et à l'Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), avec des collaborateurs de l'Université de Valence, Université Monash et Université chinoise de Hong Kong, a proposé une explication alternative à l'origine du signal GW190521 :la collision de deux objets exotiques appelés étoiles à bosons, qui sont l'un des candidats les plus susceptibles d'expliquer la matière noire. Dans leur analyse, l'équipe a pu estimer la masse d'une nouvelle particule constitutive de ces étoiles, un boson ultra-léger avec une masse des milliards de fois plus petite que les électrons.

L'équipe a comparé le signal GW190521 à des simulations informatiques de fusions bosons-étoiles, et a constaté que ceux-ci expliquent en fait les données légèrement mieux que l'analyse menée par LIGO et Virgo. Le résultat implique que la source aurait des propriétés différentes de celles indiquées précédemment. Le Dr Calderón Bustillo dit :"D'abord, nous ne parlerions plus de collision avec des trous noirs, ce qui élimine le problème de la gestion d'un trou noir « interdit ». Seconde, parce que les fusions d'étoiles de 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."

Le Dr Nicolás Sanchis-Gual dit :"Les étoiles à bosons sont des objets presque aussi compacts que les trous noirs mais, contrairement à eux, n'ont pas de surface « non-retour ». Quand ils se heurtent, ils forment une étoile à boson qui peut devenir instable, finalement s'effondrer dans un trou noir, et produire un signal cohérent avec ce que LIGO et Virgo ont observé. Contrairement aux étoiles ordinaires, qui sont faits de ce que nous appelons communément la matière, Les étoiles à bosons sont constituées de ce que nous appelons les bosons ultralégers. Ces bosons sont l'un des candidats les plus attrayants pour constituer ce que nous appelons la matière noire."

L'équipe a constaté que même si l'analyse tend à favoriser l'hypothèse de fusion des trous noirs, une fusion boson star est en fait préférée par les données, bien que de manière non concluante. Le professeur Jose A. Font de l'Université de Valence déclare :"Nos résultats montrent que les deux scénarios sont quasiment indiscernables compte tenu des données, bien que l'hypothèse de l'étoile à bosons exotiques soit légèrement préférée. C'est très excitant, puisque notre modèle boson-étoile est, à partir de maintenant, très limité, et sous réserve d'améliorations majeures. Un modèle plus évolué pourrait conduire à des preuves encore plus importantes de ce scénario et nous permettrait également d'étudier les précédentes observations d'ondes gravitationnelles sous l'hypothèse de la fusion boson-étoile."

Ce résultat ne concernerait pas seulement la première observation d'étoiles à bosons, mais aussi celui de leur brique de base, une nouvelle particule connue sous le nom de boson ultra-léger. Le professeur Carlos Herdeiro de l'Université d'Aveiro déclare :"L'un des résultats les plus fascinants est que nous pouvons réellement mesurer la masse de cette nouvelle particule de matière noire putative, et qu'une valeur de zéro est rejetée avec un niveau de confiance élevé. Si cela est confirmé par une analyse ultérieure de cette observation et d'autres observations d'ondes gravitationnelles, notre résultat fournirait la première preuve d'observation d'un candidat à la matière noire longtemps recherché."