⚛️ Etoiles cannibales, étoiles de bosons... des astrophysiciens décrivent un univers tellement différent

Les chercheurs de SISSA - en collaboration avec l'INFN, l'IFPU et l'Université de Varsovie, ont publié dans Physical Review D une étude qui bouleverse notre compréhension des premiers moments cosmiques. Leur travail explore l'hypothèse d'une période très brève où la matière aurait dominé l'Univers naissant, créant des conditions propices à la formation d'objets cosmiques compacts. Cette phase, bien que de courte durée, aurait suffi à initier des processus physiques qui ont marqué l'évolution ultérieure du cosmos.

Durant cette période de domination de la matière, les particules élémentaires se seraient regroupées en halos qui, sous l'effet de leurs propres interactions, auraient subi un effondrement gravitationnel. Ce processus aurait conduit à la création d'objets cosmiques variés, allant des trous noirs primordiaux aux étoiles de bosons, en passant par des structures encore plus exotiques. Ces formations auraient existé pendant quelques secondes seulement avant de se transformer ou de disparaître complètement.


Parmi ces objets étranges, les étoiles cannibales se distinguent par leur mécanisme énergétique unique. Contrairement aux étoiles classiques qui tirent leur énergie de la fusion nucléaire, ces entités hypothétiques seraient alimentées par l'annihilation des particules qui les composent. Les étoiles de bosons, quant à elles, maintiendraient leur cohésion grâce aux propriétés quantiques de leurs constituants, représentant une forme de matière stellaire totalement différente de ce que nous connaissons.

Les trous noirs primordiaux issus de ces effondrements présentent des masses particulièrement faibles, certaines équivalant à celle d'un astéroïde. Selon les modèles théoriques développés par l'équipe, certains de ces micro-trous noirs pourraient avoir disparu rapidement par évaporation, tandis que d'autres pourraient constituer une partie significative de la matière noire que recherche toujours les cosmologistes. Cette diversité de scénarios ouvre des perspectives nouvelles pour comprendre la composition de notre Univers.

Les implications de ces travaux dépassent le cadre des premiers instants cosmiques. Les chercheurs soulignent que des processus similaires pourraient se produire aujourd'hui dans les halos de matière noire auto-interagissante. L'étude de ces phénomènes dans des modèles de particules simples pourrait éclairer d'un jour nouveau les mécanismes de formation stellaire et d'accrétion qui façonnent l'évolution des galaxies et des amas cosmiques.

Les halos de matière primordiale

Les halos de matière primordiale se présentent sous la forme de concentrations de particules élémentaires qui se sont formées dans l'Univers extrêmement jeune. Ces structures microscopiques auraient émergé naturellement durant la brève période où la matière dominait le cosmos naissant, bien avant que les premières galaxies n'apparaissent. Leur existence hypothétique repose sur des modèles cosmologiques qui décrivent les interactions entre les particules fondamentales dans des conditions de densité et de température extrêmes.

La formation de ces halos résulterait de fluctuations quantiques amplifiées par l'expansion rapide de l'Univers. Les particules, en interagissant entre elles, auraient créé des régions légèrement plus denses que leur environnement. Sous l'effet de la gravité, ces surdensités se seraient progressivement accentuées, menant à la création de structures cohérentes. Ce processus rappelle celui qui forme les galaxies aujourd'hui, mais à des échelles bien plus petites et dans des conditions physiques radicalement différentes.

La stabilité de ces halos dépendait étroitement de la nature des interactions entre particules. Certains modèles proposent que des forces supplémentaires, au-delà de la gravité et des interactions standard, auraient pu jouer un rôle déterminant dans leur évolution. La durée de vie de ces structures variait considérablement selon leurs propriétés, certaines ne durant que quelques fractions de seconde tandis que d'autres pouvaient persister suffisamment longtemps pour influencer les étapes ultérieures de l'évolution cosmique.

L'étude de ces halos primordiaux offre une fenêtre unique sur la physique des hautes énergies. Leurs propriétés pourraient révéler des aspects de la théorie des particules qui échappent aux accélérateurs terrestres. De plus, leur évolution pourrait avoir laissé des signatures observables dans le fond diffus cosmologique ou dans la distribution de la matière noire, fournissant ainsi des indices précieux pour tester les modèles cosmologiques.

L'effondrement gravothermique

L'effondrement gravothermique décrit un processus par lequel un système de particules en interaction perd de l'énergie et se contracte sous l'effet de sa propre gravité. Dans l'Univers primitif, ce mécanisme aurait transformé les halos de matière en objets cosmiques compacts. Contrairement aux effondrements gravitationnels classiques, ce phénomène intègre les effets thermiques et les interactions entre particules, créant une dynamique bien différente.

Le processus commence lorsque les particules au sein d'un halo échangent de l'énergie par collisions et interactions. Ces échanges conduisent à une redistribution de l'énergie, avec certaines particules gagnant suffisamment de vitesse pour s'échapper du système. La perte d'énergie qui en résulte réduit la pression interne supportant le halo contre l'effondrement gravitationnel. Progressivement, le système se contracte, augmentant sa densité et sa température.

À mesure que la contraction s'intensifie, les interactions entre particules deviennent plus fréquentes et plus énergétiques. Dans certains cas, ces interactions peuvent déclencher des réactions en chaîne qui accélèrent l'effondrement. La nature exacte de l'objet final dépend des propriétés des particules impliquées et des conditions initiales du halo. Certains halos pourraient former des trous noirs, tandis que d'autres pourraient se stabiliser en étoiles exotiques.

Ce mécanisme présente des similitudes avec la formation des étoiles actuelles, mais avec des différences fondamentales liées à l'absence d'éléments lourds et aux énergies beaucoup plus élevées. La compréhension de l'effondrement gravothermique dans l'Univers primitif pourrait expliquer des phénomènes contemporains, comme la dynamique des amas globulaires ou l'évolution des galaxies naines, où des processus similaires pourraient se produire à des échelles différentes.