Lorsqu’il s’agit de soupçonner les trous noirs primordiaux d’être de la matière noire, leur excuse est peut-être sur le point de s’effondrer. De minuscules trous noirs, qui se sont formés quelques secondes après la naissance de l'univers, pourraient persister plus longtemps que prévu, suscitant de nouveaux soupçons selon lesquels les trous noirs primordiaux pourraient être responsables de la matière noire, la matière la plus mystérieuse de l'univers.
La matière noire représente actuellement l’un des problèmes les plus urgents de la physique. En effet, même si elle représente environ 85 % de la matière de l’univers, la matière noire reste invisible à nos yeux car elle n’interagit pas avec la lumière.
Étant donné que les particules qui composent les atomes qui composent les objets « ordinaires » que nous pouvons voir, comme les étoiles, les planètes et notre propre corps, interagissent clairement avec la lumière, cela a incité à rechercher des particules de matière noire en dehors du modèle standard de particules. la physique. De nombreux scientifiques pensent que la réponse réside toujours dans le modèle standard. Cependant, si nous examinons un cousin plus petit des objets cosmiques, nous les voyons généralement comme extrêmement massifs, voire monstrueux : les trous noirs.
à propos de: Une nouvelle vue du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée fait allusion à une fonctionnalité cachée passionnante (image)
Scientifique de l'Institut Max Planck Valentin Thos Et Anna Fernández Alexandre De l'Université de Lisbonne, deux chercheurs ont récemment participé à de telles études. Ils émettent l’hypothèse que de petits trous noirs apparus il y a plus de 13,8 milliards d’années, immédiatement après le Big Bang, et qui ne sont pas plus gros qu’un proton, auraient pu fusionner pour former des suspects de matière noire sans avoir recours à une nouvelle physique.
Non seulement le récent changement de mentalité concernant la manière dont les trous noirs « s’évaporent » a conduit à une réévaluation de la viabilité des trous noirs primordiaux car on soupçonne la matière noire, mais comme la recherche de particules de matière noire continue de laisser un vide, elle pourrait commencer. De plus en plus de chercheurs examinent plus sérieusement la théorie primordiale de la matière noire du trou noir.
Que sont les trous noirs primordiaux ?
« Comme leur nom l'indique, les trous noirs primordiaux sont un type de trou noir qui s'est formé au début de l'univers », a déclaré Thos à Space.com. « Dans la première fraction de seconde de l'univers, en fait. »
Il a expliqué que toutes les structures que nous observons dans l'univers, depuis les superamas de galaxies jusqu'aux galaxies à l'intérieur d'elles-mêmes, sont formées par de légers excès de densité dans l'espace qui étaient présents au début de l'univers. Si l’univers primitif avait connu des fluctuations de densité beaucoup plus fortes que celles qui ont créé ces caractéristiques, et que ces fluctuations se soient effondrées avant la formation réelle des galaxies, ces points extrêmement denses auraient pu stimuler des trous noirs primordiaux.
Selon le moment où cet effondrement s'est produit ainsi que sa taille, ces trous noirs primordiaux auront des masses très différentes, a ajouté Thos. Les trous noirs primordiaux considérés par Thos et Fernandez-Alexander comme candidats possibles à la matière noire auraient des masses comprises entre quelques tonnes et mille tonnes pour être précis, ce qui est inférieur à la masse d'une planète et plus dans la catégorie des petits trous noirs. astéroïde.
Étant donné que les plus petits trous noirs découverts jusqu'à présent par les scientifiques, appelés trous noirs de masse stellaire, ont des masses équivalentes à entre 3 et 50 fois la masse du Soleil – qui est elle-même 2,2 fois 10 à la puissance 27 (22 suivi de 26). ). (Zéros) tonnes – Ces trous noirs primordiaux sont incroyablement petits.
Comme leurs homologues de trous noirs plus grands formés soit par l'effondrement d'étoiles massives, soit par la fusion de trous noirs relativement plus petits, selon Fernandez-Alexander, les trous noirs primordiaux auraient une limite extérieure piégeant la lumière appelée horizon des événements. Le diamètre de cet horizon est déterminé par la masse du trou noir, ce qui signifie que l’horizon des événements serait incroyablement petit dans ces cas-là. « Plus petit que le rayon d'un proton », a déclaré Fernandez-Alexander.
Les petits trous noirs primordiaux étaient auparavant exclus comme candidats à la matière noire, car on pense que tous les trous noirs « fuient » un type de rayonnement thermique qui a été émis pour la première fois par Stephen Hawking en 1974 et appelé plus tard « rayonnement de Hawking ».
Plus le trou noir est petit, plus le rayonnement Hawking peut s’échapper rapidement et, par conséquent, plus vite il doit s’évaporer. Cela signifie que si les trous noirs primordiaux existaient, les plus petits exemples ne devraient pas exister aujourd’hui, mais la matière noire existe clairement.
« Les trous noirs primordiaux avec les masses qu'Anna et moi étudions actuellement étaient auparavant considérés comme improbables car on supposait qu'ils s'étaient complètement évaporés à ce moment-là dans l'univers », a déclaré Thos.
Cependant, des travaux récents de György Dvali, physicien théoricien de l'Université de Munich qui a collaboré avec Thos et Fernandez-Alexander, suggèrent que le processus d'évaporation s'interrompt à un moment donné. Cela signifie que les trous noirs primordiaux ayant les masses considérées par les scientifiques pourraient atteindre un état quasi stable.
« Afin de réduire sa masse en émettant un rayonnement Hawking, le trou noir doit réécrire ses informations, ou autre chose. Et ce processus de réécriture prend du temps », a expliqué Fernandez-Alexander. « C'est ce qu'on appelle une » charge de mémoire « , car cette mémoire doit maintenant passer à autre chose, ce qui ralentit le processus global d'évaporation. C'est donc une sorte de stabilisation. »
Ce « mécanisme de sauvetage » signifie que les trous noirs primordiaux sont de retour comme candidats potentiels à la matière noire !
Un sosie de la matière noire ?
Cependant, le fait que des trous noirs primordiaux existent aujourd’hui dans l’univers ne signifie pas immédiatement qu’ils doivent être considérés comme suspects de matière noire. En fait, il existe d’autres raisons de lier ces petits trous noirs hypothétiques au mystérieux contenu de matière de l’univers.
Le lien le plus évident est peut-être que la matière noire n’interagit pas avec la lumière. La matière noire n’émet ni ne reflète la lumière, et l’horizon des événements qui borde tous les trous noirs marque le point auquel la vitesse de fuite nécessaire pour traverser dépasse la vitesse de la lumière. Cela signifie que les trous noirs primordiaux « piégeraient » toute la lumière incidente, ce qui entraînerait un manque apparent d'interactions.
« S'ils sont suffisamment légers, alors quelque part autour d'une masse planétaire, les trous noirs primordiaux se comportent comme des particules de matière noire à toutes fins utiles », a déclaré Thos. « La matière noire est « sans collision » dans les modèles standards, de sorte que les particules de matière noire n'interagissent pas entre elles au point d'affecter l'univers. »
Il a ajouté que si les trous noirs primordiaux étaient plus légers que les masses planétaires, ils seraient, même à l’échelle de temps cosmique, si petits qu’ils entreraient rarement en collision. Ces trous noirs primordiaux pourraient se combiner pour créer les effets gravitationnels que nous attribuons actuellement à la matière noire, par exemple en fournissant une influence gravitationnelle qui empêche les galaxies en rotation rapide d'être emportées par le vent.
Cependant, si les trous noirs primordiaux devaient s’agréger pour tenir compte des effets de la matière noire, qu’est-ce qui empêcherait ces trous noirs de se rassembler et de fusionner pour former des trous noirs plus grands ? Un groupe de petits trous noirs ne deviendrait-il pas finalement un simple trou noir supermassif ? Cette question a fait l’objet d’une enquête et la réponse est simple : « Non », a déclaré Thos.
« Même si l'on prend en compte l'agglutination, les délais de fusion sont si longs qu'ils ne fusionneraient que pour former des trous noirs très massifs pendant toute la durée de vie de l'univers », a-t-il poursuivi.
Thos a ajouté que la beauté de l’utilisation des trous noirs primordiaux comme explication de la matière noire est que, contrairement à la proposition d’une particule hypothétique comme l’axe pour expliquer le puzzle, les trous noirs primordiaux ne nécessitent pas d’extension du modèle standard de la physique des particules. Notre meilleure explication de l’univers se situe à l’échelle subatomique.
Cependant, il serait très difficile de confirmer que les trous noirs primordiaux sont de la matière noire, s’ils expliquent effectivement ce phénomène. Encore une fois, leur nature capturant la lumière signifie qu’ils sont effectivement invisibles. De plus, avec de si petites tailles, ils n’ont pas les mêmes effets gravitationnels massifs que leurs frères stellaires et supermassifs.
Même dans ce cas, si un groupe de trous noirs primordiaux était découvert, il n’existe aucun moyen réel de faire la différence entre un grand nombre de petits trous noirs et un grand trou noir.
Malgré cette difficulté, Thos et Fernandez-Alexander ont l’intention de rester à la queue des trous noirs primordiaux – du moins en théorie. Si les candidats à la matière noire continuent de ne pas émerger, la réponse serait peut-être d’inciter davantage de physiciens à commencer à s’intéresser à la frontière métaphorique entre la physique des particules et la cosmologie.
« Je ne peux pas dire que les trous noirs primordiaux ont jamais été exclus comme candidats à la matière noire, mais ils ont été ignorés pendant un certain temps », a déclaré Fernandez-Alexander. « Maintenant, étant donné que nous ne disposons pas vraiment de détection de particules de matière noire, je pense qu'il devient de plus en plus approprié d'envisager cette option. »
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