Le télescope James Webb aurait peut-être repéré des étoiles alimentées par la matière noire.

Le télescope spatial James Webb a repéré des objets dans l'univers primitif qui pourraient être une nouvelle forme d'étoile - alimentée par la matière noire.

Ces "étoiles sombres" restent hypothétiques. Leur identification dans les images du JWST est loin d'être certaine. Mais si l'un des trois candidats - rapportés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences du 25 juillet - se révèle être ce nouveau type d'étoile, ils pourraient offrir un aperçu de la formation des étoiles dans l'univers primitif, donner un indice sur la nature de la matière noire et peut-être expliquer les origines des trous noirs supermassifs.

Proposées pour la première fois en 2007 par la cosmologiste Katherine Freese et ses collègues, les étoiles sombres pourraient avoir été parmi les premiers types d'étoiles à se former dans l'univers. Bien que les étoiles sombres n'aient pas encore été observées, on pense qu'elles sont alimentées par la chaleur provenant d'interactions avec la matière noire, plutôt que par des réactions de fusion nucléaire comme dans le soleil.

Les étoiles sombres "auraient un aspect très étrange", explique Freese, de l'Université du Texas à Austin. Les étoiles hypothétiques se seraient formées à partir de nuages ​​d'hydrogène et d'hélium qui auraient attiré la matière noire locale, abondante, au fur et à mesure qu'elles se sont amalgamées. Bien que la véritable nature de la matière noire ne soit pas connue - sa présence est principalement inférée par son effet sur le mouvement des étoiles au sein des galaxies - il est possible que les particules de matière noire puissent interagir entre elles, s'annihilant mutuellement lorsqu'elles entrent en collision et produisant d'énormes quantités de lumière et de chaleur. Cette chaleur empêcherait le nuage d'hydrogène et d'hélium de se condenser en un noyau dense et chaud, comme les étoiles qui existent aujourd'hui.

En raison de la chaleur provenant des annihilation de matière noire, le nuage de gaz ne peut pas se condenser, les étoiles sombres pourraient atteindre une taille gigantesque. Théoriquement, les étoiles sombres pourraient être 10 fois plus larges que l'orbite terrestre autour du soleil. Elles pourraient également être des millions de fois plus massives que le soleil et briller billions de fois plus lumineuses - assez lumineuses, potentiellement, pour être repérées par le JWST.

Pour voir si des étoiles sombres se cachent dans les données de l'observatoire en orbite, Freese et ses collègues ont examiné attentivement les images d'une étude par le JWST des galaxies anciennes. Dans de telles images, le JWST a jusqu'à présent découvert plus de 700 objets qui pourraient provenir des premières centaines de millions d'années de l'univers - l'époque où les étoiles sombres auraient émergé. La lumière de ces objets lointains est étirée, ou décalée vers le rouge, à mesure que l'univers se dilate. Ainsi, Freese et ses collègues se sont concentrés sur quatre objets déjà confirmés comme étant fortement décalés vers le rouge, en faisant certains des objets les plus anciens vus à ce jour.

Ces objets sont actuellement considérés comme de petites galaxies de la relative jeunesse de l'univers. Mais étant donné qu'ils sont si éloignés, le JWST ne peut pas les résoudre suffisamment bien pour déterminer s'ils sont réellement des galaxies ou de grandes étoiles ultrabrillantes, selon les chercheurs.

L'équipe a réalisé des simulations informatiques pour déterminer la quantité de lumière qu'une hypothétique étoile sombre pourrait produire à différentes longueurs d'onde. Ils ont comparé ces spectres à la lumière des images collectées par le JWST à différentes longueurs d'onde pour chacun des quatre objets. Les données du JWST de trois de ces objets correspondent aux modèles d'étoiles sombres simulées, rapportent Freese et ses collègues.

Certains scientifiques sont sceptiques. Les types d'étoiles connus pourraient également créer la lumière observée des trois candidats, explique Sandro Tacchella, astrophysicien à l'Université de Cambridge. Et identifier l'un des objets comme une étoile sombre nécessiterait que les modèles simulés correspondent bien à des spectres plus détaillés, explique Brant Robertson, astrophysicien théorique à l'Université de Californie, Santa Cruz.

Cependant, si des étoiles sombres venaient à être découvertes, "ce serait révolutionnaire", déclare l'auteur de l'étude, Cosmin Ilie, astrophysicien à l'Université de Colgate à Hamilton, New York.

Détecter des étoiles sombres confirmerait l'existence d'une particule de matière noire et donnerait une indication de son fonctionnement. "Le simple fait de savoir que [la matière noire] est quelque chose qui pourrait s'annihiler serait vraiment très puissant", déclare Tracy Slatyer, physicienne théoricienne du MIT non impliquée dans l'étude. Cette connaissance aiderait les scientifiques à rechercher de la matière noire ailleurs dans l'univers, dit-elle.

Les étoiles sombres pourraient également contribuer à expliquer la formation des trous noirs supermassifs. Une fois que la matière noire à l'intérieur de l'étoile s'est annihiliée, l'hydrogène et l'hélium restants - des millions de fois la masse du soleil dans un espace relativement compact - s'effondreraient sur eux-mêmes et formeraient un trou noir. Ces trous noirs pourraient fusionner avec le temps en trous noirs semblables à ceux se trouvant au centre de la plupart des galaxies, des millions ou des milliards de fois plus massifs que le soleil.

Future experiments, like looking for brighter or dimmer light at certain wavelengths, could help confirm whether any of the three objects are dark stars. Freese also expects to find more dark star candidates in future JWST data, she says. But for now, whether dark stars truly exist remains a mystery.