Les étoiles sombres pourraient révéler l’origine des premiers trous noirs géants

Les réseaux de chronométrage des pulsars — ou PTA, pour Pulsar Timing Arrays — ont mis en évidence un signal commun à très basse fréquence, dont les corrélations correspondent à celles attendues pour un fond d’ondes gravitationnelles. L’interprétation astrophysique privilégiée est celle d’une population cosmique de binaires de trous noirs supermassifs en spirale l’un autour de l’autre, même si d’autres scénarios restent possibles.

C’est dans ce contexte que Sohan Ghodla et Cosmin Ilie proposent d’utiliser ce signal comme une sorte de trace fossile de la formation des premières graines de trous noirs. Leur modèle fait évoluer des graines apparues dans l’Univers jeune à travers la croissance des halos de matière noire, l’assemblage des trous noirs et les fusions de binaires, avant de calculer le fond d’ondes gravitationnelles dans la bande des nanohertz. La question n’est donc pas de savoir si un PTA peut observer directement une Dark Star, mais si le nombre et les propriétés des trous noirs laissés par ces objets sont compatibles avec le signal mesuré aujourd’hui.

Le scénario des Dark Stars

Dans le scénario étudié, une Dark Star — ou étoile sombre — est un objet étendu composé principalement d’hydrogène et d’hélium. Elle ne tire pas l’essentiel de son énergie de la fusion nucléaire, mais de l’annihilation de particules de matière noire au cœur de l’objet.

Si elle continue à accumuler du gaz, une telle étoile pourrait atteindre environ un million de masses solaires, voire davantage, avant de s’effondrer et de former une graine massive de trou noir.

Cette graine ne produit pas immédiatement le signal détecté par les PTA. Elle grandit au sein de son halo hôte, rencontre d’autres trous noirs lorsque les halos fusionnent, puis peut finalement rejoindre une population de binaires de trous noirs supermassifs. L’émission combinée d’un grand nombre de ces systèmes formerait un fond stochastique dans la bande des nanohertz, à laquelle les observations à long terme des pulsars milliseconde sont sensibles.

Le lien est donc indirect, mais particulièrement intéressant : une mesure réalisée aujourd’hui pourrait renseigner les astronomes sur un mécanisme de formation actif aux premières étapes de l’histoire cosmique.

Pourquoi le seuil du million de masses solaires est important

Le scénario devient particulièrement pertinent lorsque les Dark Stars atteignent environ 10⁶ masses solaires ou plus. Leur effondrement fournit alors un point de départ beaucoup plus massif que celui des scénarios reposant sur des graines légères. Si ces vestiges sont suffisamment nombreux et participent ensuite à des fusions, ils peuvent augmenter fortement le fond d’ondes gravitationnelles prédit par le modèle.

Ce résultat reste toutefois conditionnel. Il ne démontre ni que les Dark Stars supermassives ont réellement existé, ni que le signal des PTA provient exclusivement de leurs vestiges. Il montre qu’une population suffisamment abondante d’étoiles sombres très massives pourrait laisser derrière elle des trous noirs capables de contribuer de manière importante au signal observé.

Dark Stars et trous noirs issus d’un effondrement direct

Ghodla et Ilie ont comparé les vestiges de Dark Stars aux trous noirs issus d’un effondrement direct, ou DCBH (direct-collapse black holes). Cette autre hypothèse propose que de grandes quantités de gaz primordial s’effondrent directement pour former des graines lourdes dans l’Univers jeune.

Dans la comparaison présentée par l’étude, une densité comobile d’environ 10⁻³ Mpc⁻³ pour les vestiges de Dark Stars peut produire une contribution importante, potentiellement dominante, au fond détecté par les PTA. Le canal des DCBH, avec les densités de graines beaucoup plus faibles adoptées dans cette comparaison, ne fournit en revanche qu’une contribution marginale ou subdominante.

La différence tient aux conditions de formation retenues pour chaque scénario. Les DCBH nécessitent généralement des environnements rares : des nuages de gaz primordial dépourvus de métaux doivent s’effondrer sans se fragmenter, souvent sous l’effet d’un intense rayonnement ultraviolet provenant d’une région voisine de formation stellaire. Le modèle des Dark Stars peut autoriser une population plus nombreuse si des mini-halos suffisamment isolés sont fréquents et si les étoiles peuvent continuer à accumuler du gaz jusqu’à des masses supermassives.

Cette comparaison n’exclut pas les DCBH. Elle montre plutôt que l’abondance des graines compte autant que leur masse individuelle : une population plus nombreuse de vestiges de Dark Stars peut générer un arrière-plan de fusions plus intense, à une époque beaucoup plus tardive, qu’un canal de graines lourdes mais plus rare.

Ce que les observations des PTA permettent de limiter

Le même calcul impose aussi une contrainte supérieure à la population de graines formées dans l’Univers jeune. Dans le cadre utilisé par les auteurs, des densités d’environ 10⁻² à 10⁻¹ Mpc⁻³ produiraient une quantité d’énergie gravitationnelle supérieure à celle compatible avec le fond mesuré par les PTA. Les observations défavorisent donc de telles abondances, à condition de supposer que le signal est principalement produit par des binaires de trous noirs supermassifs.

Il s’agit d’une contrainte statistique sur une population, et non d’un recensement direct des Dark Stars. Sa portée dépend des hypothèses concernant la formation des graines, l’accrétion de matière, l’évolution des halos, l’appariement et l’évolution des binaires, ainsi que de l’interprétation du signal des PTA. Ces réseaux détectent — ou contraignent — un fond d’ondes gravitationnelles ; ils ne distinguent pas individuellement les étoiles primordiales.

Une nouvelle fenêtre sur l’aube cosmique

L’intérêt plus large de ce résultat est de montrer que l’astronomie gravitationnelle peut sonder des objets qui ont peut-être disparu depuis des milliards d’années. Les observations électromagnétiques peuvent rechercher des objets exceptionnellement brillants ou massifs à grand décalage vers le rouge, tandis que les PTA étudient l’histoire des fusions de trous noirs que ces objets auraient pu engendrer.

Si les prochaines mesures affinent l’amplitude et le spectre du fond nanohertz, et si l’interprétation en termes de binaires supermassives reste privilégiée, elles pourraient aider à départager les vestiges de Dark Stars, les DCBH et d’autres mécanismes de formation des premières graines. L’étude établit ainsi un pont entre la physique de l’aube cosmique et les observations gravitationnelles contemporaines : même si les Dark Stars elles-mêmes ne sont plus visibles, le fond d’ondes pourrait avoir conservé la mémoire de leur rôle dans la naissance des premiers trous noirs géants.