Et s’il n’y avait pas de trou noir au centre de la Voie lactée ?

Comme la plupart des grandes galaxies, un trou noir supermassif évoluerait probablement dans le cœur de la Voie lactée. Du moins, l’hypothèse est plutôt partagée, la présence du trou noir étant déduite à partir des effets gravitationnels qu’il semble exercer sur d’autres objets. Mais, jusqu’à présent, jamais cet objet n’a été vu. Et s’il n’y avait pas de trou noir au centre de notre galaxie ?

La possibilité est envisagée dans une étude, déposée sur la plateforme arXiv le 13 mai 2021, acceptée pour une publication dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Ses auteurs y interrogent la nature de Sagittarius A* (Sgr A*), une radiosource généralement associée à la présence d’un trou noir supermassif de plus de 4 millions de masses solaires, situé au cœur de notre galaxie. « Les nouveaux résultats présentés ici confirment et renforcent la nature alternative de Sgr A* en tant que noyau dense de darkinos », envisagent les auteurs de cette étude.

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Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Sagittarius A* est généralement associé à la présence d'un trou noir supermassif.

Source : X-ray: NASA/CXC/MIT/F.K.Baganoff et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

Pourquoi suppose-t-on qu’il y a un trou noir, déjà ?

Avant d’explorer plus loin ce que sont ces darkinos, il faut déjà revenir sur les éléments qui soutiennent l’hypothèse selon laquelle il y aurait un trou noir au centre de la galaxie. Deux principaux arguments sont invoqués avec ce scénario. Jorge Rueda, membre de l’ICRA (International Center for Relativistic Astrophysics, à Rome en Italie) et co-auteur de l’étude, les rappelle auprès de Numerama.

• D’abord, on peut supposer que « comme cela se produit avec des galaxies très massives qui hébergent un trou noir supermassif central, notre propre galaxie en héberge également un, qui devrait être au centre de la source radio compacte Sagittarius A* »,
• Partant de là, on peut essayer de déterminer la masse de cet objet hypothétique, en étudiant les objets en orbite autour de lui. C’est ce qui a été fait : « les données du mouvement des étoiles de l’amas S [ndlr : S-stars, en anglais, les étoiles autour de Sgr A*] autour du centre galactique ont été recueillies pendant environ trois décennies avec une précision croissante. Il s’avère que leur mouvement nécessite la présence d’un objet massif pesant environ quatre millions de masses solaires se trouvant à l’intérieur des orbites stellaires ».

Ce sont d’ailleurs ces travaux qui ont été récompensés l’an passé par le prix Nobel de physique. « La nécessité d’une source aussi massive au cœur de la Voie lactée a, jusqu’à présent, été considérée comme une preuve que Sgr A* est un énorme trou noir », poursuit Jorge Rueda. Mais, pour l’auteur, il y a un problème dans cette hypothèse : « la taille des orbites des étoiles S est tout simplement trop grande pour contraindre la présence d’un objet aussi petit que ce supposé trou noir dans le centre galactique », estime le scientifique.

« De la place pour des explications alternatives »

On peut s’intéresser plus précisément au cas de S2 (« Source 2 », ou S0-2), l’une des étoiles les plus proches de Sgr A* — c’est l’étoile avec la deuxième plus petite orbite autour de cette radiosource –, dont on a des données particulièrement précises. « Le passage le plus proche de S2 par rapport à Sgr A* se produit à environ 0,6 milliparsec, pour le mettre en perspective, c’est environ 1 500 fois plus grand que la taille (de l’horizon des événements) du prétendu trou noir ! Cela implique qu’une distribution de matière de même masse totale (environ quatre millions de masses solaires) mais enfermée dans une sphère de rayon 1 500 fois plus grande qu’un tel trou noir produirait les mêmes effets sur ces étoiles. »

Pour Jorge Rueda, le constat est simple : « le mouvement des étoiles S n’est pas suffisant pour affirmer, de manière univoque, la présence d’un trou noir, il y a de la place pour des explications alternatives ». Et c’est ici qu’arrivent les fameux darkinos.

L’auteur explique à Numerama que son approche s’inscrit plus largement dans celle du physicien Enrico Fermi, qui a donné son nom aux fermions, des particules élémentaires. Avec le physicien Llewellyn Thomas, Enrico Fermi a développé le modèle de Thomas-Fermi, « utilisé pendant près d’un siècle pour décrire les atomes comme un gaz d’électrons, des fermions chargés négativement, attirés électromagnétiquement par un noyau chargé positivement », résume Jorge Rueda. Plus récemment, le physicien italien Remo Ruffini a travaillé sur « l’analogue gravitationnel d’un atome de Thomas-Fermi, poursuit le scientifique. De nombreux fermions neutres, caractérisés par leur masse et leur rotation, sont maintenus en équilibre par leur attraction gravitationnelle mutuelle. »

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Darkinos et plateau

Au sein de l’ICRA, les scientifiques ont continué à travailler sur cette idée, avec des résultats permettant d’adopter une nouvelle approche pour étudier la structure de certaines étoiles très compactes, comme les naines blanches ou les étoiles à neutrons. La théorie a aussi été étendue pour anticiper de quelle façon les particules de matière noire pourraient se répartir dans les galaxies. Le modèle RAR (pour Ruffini-Arguelles-Rueda) a été formulé et est ici appliqué au noyau et au halo de matière noire de la Voie lactée. « Nous avons commencé il y a quelques années à résoudre les équations de ce modèle théorique pour le cas des ‘darkinos’, des fermions d’une certaine masse qui doit être déterminée à partir des données d’observation », explique Jorge Rueda.

Alors, à quoi ressembleraient ces fameux darkinos ? « Nous proposons que les ‘darkinos’ sont les particules qui ont fait ce que nous appelons la matière noire », résume Jorge Rueda. Selon le scientifique, il ne faudrait pas les imaginer stockés dans le noyau de la Voie lactée. La masse de ces darkinos serait répartie dans la galaxie, de la façon suivante :

• À l’échelle du noyau et du halo, la masse de matière noire augmenterait avec le rayon,
• Entre le noyau et le halo, il y aurait une zone dite « région de plateau » où la masse reste quasiment constante. « Les orbites des étoiles S de notre étude ‘vivent dans la région de masse constante (le plateau) », décrit Jorge Rueda, ce qui expliquerait leur comportement.

Dans ce scénario, les éventuelles interactions entre les darkinos eux-mêmes, ou avec la matière ordinaire, ne peuvent pas émettre de lumière. « La façon dont ils se répartissent ne peut pas être ‘vue’ mais seulement ‘ressentie’ à travers les interactions gravitationnelles, explique Jorge Rueda. Et comme ils sont prédominants dans les galaxies, ils ‘disent’ à la matière ordinaire comment se déplacer aux échelles galactiques. »