Figure montrant la morphologie des étoiles à bosons scalaires (à gauche) et vectorielles (à droite) en rotation. Crédit :Sanchis-Gual et al.
Bien que les chercheurs étudient la matière noire et essaient de l'observer, sa nature est un mystère scientifique de longue date. Le modèle cosmologique standard suggère qu'environ un quart de l'énergie et de la matière cosmologiques est presque immunisé contre les interactions électromagnétiques, ainsi la seule façon de l'observer est d'étudier ses effets gravitationnels. Cependant, le type de particules qui composent la matière noire est encore un sujet de débat.
Une théorie qui a reçu une attention considérable au cours de la dernière décennie émet l'hypothèse que la matière noire est au moins en partie composée de particules ultra-légères (c'est-à-dire, beaucoup plus léger que les électrons, par exemple). Ces particules diffèrent des particules ordinaires de plusieurs manières. Par exemple, leurs électrons, protons ou neutrons, qui constituent tous les éléments du tableau périodique, sont des fermions. Par conséquent, les particules ont un spin demi-entier, qui est égal à la moitié.
Les particules ultralégères proposées comme candidats à la matière noire sont connues sous le nom de bosons. Les bosons ont un spin entier, ce qui signifie que cela pourrait être, par exemple, zéro ou un. le différence clé entre les fermions et les bosons est que les fermions suivent le principe d'exclusion de Pauli, qui stipule que deux fermions égaux ne peuvent pas être au même endroit, comme ils se repoussent. D'autre part, les bosons peuvent se regrouper les uns sur les autres, parfois même formant des objets macroscopiques constitués d'un nombre astronomique de bosons égaux.
Chercheurs de l'Universidade de Lisboa, L'Universitat de València et l'Universidade de Aveiro ont récemment mené une étude fascinante explorant la dynamique des étoiles bosoniques en rotation, qui sont des étoiles formées d'amas de bosons ultra-légers. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , fournit de nouvelles informations précieuses sur la dynamique de différents types d'étoiles bosoniques en rotation.
"Si les bosons sont ultra-légers, ils peuvent former des objets avec la masse d'une étoile comme le soleil ou même plus massif, " les chercheurs ont dit à Phys.org par e-mail. " Ces étoiles, appelées étoiles bosoniques, peuvent être dispersés dans tout l'univers, constituant une partie (ou la totalité) de la matière noire. La question est de savoir si ces étoiles sont stables."
Des études antérieures ont démontré que lorsque les étoiles ne tournent pas, ils sont stables. Cependant, alors que le soleil et toutes les étoiles et planètes connues de notre galaxie tournent autour de leur axe, d'autres stars devraient le faire, également.
"La question persistante était de savoir si les étoiles bosoniques en rotation sont stables, ", ont déclaré les chercheurs. "Notre article répond à cette question et la réponse est plus riche que prévu."
Globalement, les étoiles bosoniques peuvent être assez compactes, ce qui signifie que leur masse est contenue dans un petit espace. En raison de cette qualité particulière, ces étoiles sont mieux décrites en utilisant la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein plutôt que la gravité newtonienne.
Figure montrant la fragmentation et l'effondrement d'une étoile à boson en rotation scalaire. À la fin, l'étoile s'effondre dans un trou noir. Crédit :Sanchis-Gual et al.
Dans leur étude, les chercheurs de l'Universidade de Lisboa, L'Universitat de València et l'Universidade de Aveiro ont effectué une série de simulations de relativité numérique à l'aide d'une plate-forme gratuite appelée Einstein Toolkit. Bien que ces simulations, ils ont résolu numériquement les équations de la relativité générale, qui décrivent le comportement de la gravité, ainsi que les équations d'évolution correspondantes pour la matière qui compose les étoiles bosoniques.
"Effectuer des évolutions numériques nécessite des données initiales correctes qui décrivent comment sont les champs gravitationnels et de matière à un moment initial, " ont expliqué les chercheurs. " Nous avons donc envisagé deux scénarios. Dans le premier scénario, un grand nuage de la matière bosonique correspondante est sur le point de s'effondrer pour former (potentiellement) une étoile en rotation. Dans le deuxième scénario, on part d'une étoile en équilibre pour évaluer si elle est robuste aux perturbations, ou, d'autre part, s'il est instable."
Les étoiles bosoniques en rotation peuvent avoir des morphologies différentes. Si la particule dont ils sont faits a un spin égal à zéro, on les appelle étoiles scalaires. D'autre part, si cette particule a un spin égal à un, elles sont appelées étoiles vectorielles.
La théorie de la relativité générale d'Einstein décrit les étoiles bosoniques lorsqu'elles sont compactes, prédisant que les étoiles scalaires en rotation ont une forme de beignet (c'est-à-dire, torus). La même théorie prédit que les étoiles vectorielles ont une forme plus courante pour la rotation, étoiles plus ou moins sphériques, mais légèrement aplati aux pôles (c'est-à-dire, sphéroïdal), comme celui de la planète Terre.
De façon intéressante, les simulations numériques et les analyses réalisées par les chercheurs montrent que lorsque les étoiles toroïdales sont légèrement perturbées, ils finissent par se briser en morceaux. Certaines de ces pièces sont ensuite repoussées, prenant le moment angulaire de l'étoile.
"Le résultat final est une fission totale de l'étoile d'origine, ou dans certains cas, la détente de l'étoile d'origine à un briquet, étoile non tournante, ou encore, dans d'autres cas, l'effondrement complet de l'étoile dans un trou noir, " les chercheurs ont dit. " Dans le cas des étoiles sphéroïdales, d'autre part, ils sont robustes aux perturbations, comme les étoiles normales connues dans l'univers."
Les chercheurs ont rassemblé des découvertes intéressantes qui pourraient éclairer la dynamique des étoiles bosoniques. Peut-être encore plus remarquable, cependant, l'étude suggère que la détection d'étoiles de matière noire ultra-légères en rotation pourrait aider à mieux comprendre la nature des particules qui composent la matière noire, en particulier leur rotation. À l'avenir, les chercheurs prévoient de poursuivre leurs recherches en se concentrant sur l'instabilité des étoiles bosoniques scalaires en rotation, considérant un type de particule plus complexe qui peut interagir avec elle-même.
"Ces auto-interactions sont suggérées par certains modèles de la matière noire et de la physique des hautes énergies, " expliquent les chercheurs. " La question qui nous intéresse est la suivante :peuvent-ils éteindre l'instabilité ? De plus, nous aimerions évaluer si l'instabilité est intrinsèquement liée à la morphologie. C'est-à-dire, si les étoiles toroïdales sont toujours instables. Pour faire ça, nous analysons des modèles plus compliqués d'étoiles vectorielles en rotation qui peuvent prendre la forme toroïdale pour tester si elles sont également instables."
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