Lorsque les étoiles géantes meurent, elles ne disparaissent pas simplement. Ils s'effondrent, laissant derrière eux un résidu stellaire comprimé, généralement de la taille d'une métropole, qui est une boule de neutrons superdense appelée étoile à neutrons.
La plupart des théoriciens croient que dans des cas exceptionnels, une étoile mourante géante forme un trou noir - un point «singularité» avec une densité pratiquement infinie et un champ gravitationnel si puissant qu'il n'y a même pas de lumière, la chose la plus rapide de l'univers.
La nouvelle étude propose une idée alternative selon laquelle des objets hypothétiques tels que des étoiles noires ou des gravastars pourraient exister à mi-chemin entre les étoiles à neutrons et les trous noirs. Si tel est le cas, les cadavres stellaires exotiques devraient être presque identiques aux trous noirs, à l'exception d'une circonstance clé: ils n'absorbent pas irrévocablement la lumière.
Il y a de bonnes raisons de rechercher de telles alternatives car les trous noirs soulèvent de nombreux problèmes théoriques. Par exemple, leurs singularités sont censées être cachées par des frontières invisibles appelées horizons événementiels. Jetez quelque chose dans un trou noir, et dès qu'il passera l'horizon des événements, il disparaîtra pour toujours. Mais il existe des lois de la physique qui suggèrent que les informations ne peuvent pas être détruites, y compris les informations encodées à l'intérieur de tout ce qui tombe dans des trous noirs.
Les modèles d'étoiles noires et de gravastars développés au cours des deux dernières décennies suggèrent que ces objets n'auront pas de singularités et d'horizons d'événements. Mais on ne sait toujours pas si de tels objets peuvent réellement se former et rester stables.
Une nouvelle recherche du physicien théoricien Raul Carballo-Rubio de l'École internationale de recherche avancée en Italie propose un mécanisme qui permet aux étoiles noires et aux gravastars d'exister.
Le scientifique a étudié un phénomène inhabituel connu sous le nom de polarisation du vide quantique. La physique quantique, qui donne une meilleure description du comportement de toutes les particules subatomiques connues, suppose que la réalité est incertaine, limitant la précision avec laquelle vous pouvez connaître les propriétés des unités les plus élémentaires de la matière - par exemple, vous ne pouvez jamais connaître absolument la position et l'élan d'une particule dans le même en même temps. Une étrange conséquence de cette incertitude est que le vide n'est jamais complètement vide, mais contient des soi-disant «particules virtuelles» qui oscillent continuellement lorsqu'elles entrent et sortent de l'existence.
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Avec une énorme quantité d'énergie libérée par l'explosion d'une énorme étoile, ces particules virtuelles peuvent se polariser ou s'ordonner en fonction de leurs propriétés, tout comme les aimants ont des pôles nord et sud. Carballo-Rubio a calculé que la polarisation de ces particules peut créer un effet étonnant à l'intérieur des puissants champs gravitationnels d'étoiles géantes mourantes - un champ qui repousse, n'attire pas.
Selon la théorie générale de la relativité d'Einstein, la courbure matérielle et énergétique de l'espace-temps conduit à la formation de champs gravitationnels. Les planètes et les étoiles ont une quantité d'énergie positive et les champs gravitationnels qui en résultent sont de nature attrayante.
«Cependant, lorsque les particules virtuelles sont polarisées, le vide qu'elles occupent peut, en moyenne, avoir une énergie négative et déformer l'espace-temps de telle sorte que le champ gravitationnel associé devient répulsif», explique Carballo-Rubio.
Ceci, bien sûr, pourrait empêcher la formation d'un trou noir. Ce phénomène fait que des restes stellaires relativement légers forment des étoiles à neutrons au lieu de trous noirs. Leurs champs gravitationnels ne sont pas assez forts pour détruire les neutrons à la singularité.
Deux modèles précédents suggéraient que la gravité répulsive pouvait provoquer l'effondrement des restes stellaires pour former des trous noirs. L'un des restes stellaires simulés formait à la place des gravastars - des objets remplis d'un vide quantique recouvert d'une mince couche de matière. Un autre modèle a suggéré que ces effondrements ont abouti à des étoiles noires, où la matière et le vide quantique alternent dans toute la structure dans un équilibre minutieux. Les deux objets ont toujours de puissants champs gravitationnels qui déforment profondément la lumière, les faisant apparaître aussi sombres que des trous noirs.
Selon Carballo-Rubio, les propriétés des étoiles noires et des gravastars étaient auparavant très incertaines. Dans un nouveau travail, il a créé un cadre mathématique qui intègre les effets de la gravité répulsive dans des équations décrivant l'expansion et la contraction des étoiles. Auparavant, on pensait que cela ne pouvait être interprété qu'à l'aide d'ordinateurs. Son nouveau modèle suppose l'existence d'un hybride d'une étoile noire et d'un gravastar - un objet où la matière et le vide quantique sont répartis dans toute la structure, mais avec de la matière à des concentrations plus élevées dans l'enveloppe que dans le noyau.
La recherche est publiée dans la revue Physical Review Letters.
