Un nouvel article passionnant teste une prédiction de Hawking concernant la matière noire et les trous noirs


L’Univers est trop lourd.

Simulation d’un trou noir supermassif. (NASA Goddard Space Flight Center ; ESA/Gaia/DPAC)

D’après nos mesures de la matière normale dans l’Univers, elle est loin d’être suffisante pour expliquer la force des effets gravitationnels que nous pouvons observer.

Ce qui constitue le reste de la masse n’est pas détectable directement, et la recherche de ce que cela pourrait être est à la fois déroutante et épuisante.

Le terme générique pour désigner cette masse mystérieuse est “matière noire”, et il existe de multiples candidats hypothétiques. Un nouvel article plaide toutefois en faveur d’un candidat proposé pour la première fois dans les années 1970 par Stephen Hawking et Bernard Carr : les trous noirs primordiaux.

“Notre étude prédit à quoi ressemblerait l’Univers primitif si, au lieu de particules inconnues, la matière noire était constituée de trous noirs formés pendant le Big Bang, comme Stephen Hawking l’a suggéré dans les années 1970”, explique le physicien Nico Cappelluti de l’université de Miami.

“Cela aurait plusieurs implications importantes. Premièrement, nous n’aurions pas besoin d’une ‘nouvelle physique’ pour expliquer la matière noire. En outre, cela nous aiderait à répondre à l’une des questions les plus passionnantes de l’astrophysique moderne : comment les trous noirs supermassifs de l’Univers primitif ont-ils pu devenir si gros si rapidement ?

Compte tenu des mécanismes que nous observons aujourd’hui dans l’Univers moderne, ils n’auraient pas eu le temps de se former. Cela permettrait également de résoudre le mystère de longue date qui consiste à savoir pourquoi la masse d’une galaxie est toujours proportionnelle à la masse du trou noir supermassif en son centre.”

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles les trous noirs ne sont pas un candidat principal pour la matière noire. Comme la matière noire, ces objets ultradenses n’émettent aucune lumière et, s’ils traînent dans l’espace sans rien manger, ils sont très difficiles à détecter ; on ne peut le faire qu’en observant leur effet gravitationnel sur l’espace-temps environnant.

L’un des problèmes auxquels les physiciens sont confrontés est la quantité apparente de matière noire. D’après nos calculs, seuls 15 % de la matière de l’Univers sont constitués de matière normale. Les 85 % restants sont constitués de matière noire.

Il est extrêmement difficile de compenser cette quantité par des trous noirs. D’après nos modèles, les trous noirs de masse stellaire se forment à partir d’étoiles massives, et il n’y a tout simplement pas assez d’étoiles massives pour générer un tel nombre de trous noirs. La plupart des étoiles de l’Univers sont de minuscules naines rouges.

Les trous noirs primordiaux, en revanche, sont une autre affaire. C’est pourquoi, ces dernières années, ils ont connu un certain regain d’intérêt en tant que candidats à la matière noire. Comme leur nom l’indique, ces trous noirs pourraient s’être formés à partir de surdensités dans le plasma primordial qui a rempli l’Univers immédiatement après le Big Bang.

Ces trous noirs pourraient être les “graines” à partir desquelles d’autres trous noirs se sont développés – mais d’autres pourraient aussi être restés suffisamment petits pour échapper à la détection.

Cette explication pourrait également contribuer à élucider d’autres énigmes, comme la façon dont les trous noirs supermassifs – dont la masse est de plusieurs millions ou milliards de fois celle du Soleil – deviennent si énormes. Pour l’instant, la question reste une énigme. D’après les calculs de l’équipe, ces mastodontes ont pu se développer au début de l’Univers en fusionnant avec d’autres trous noirs primordiaux et en accrétant du gaz et des étoiles proches.

“Les trous noirs primordiaux, s’ils existent, pourraient bien être les graines à partir desquelles se forment tous les trous noirs supermassifs, y compris celui qui se trouve au centre de la Voie lactée”, déclare l’astronome et physicien Priyamvada Natarajan de l’université de Yale.

“Ce que je trouve personnellement super excitant dans cette idée, c’est la façon dont elle unifie élégamment les deux problèmes vraiment difficiles sur lesquels je travaille – celui de sonder la nature de la matière noire et celui de la formation et de la croissance des trous noirs – et les résout d’un seul coup.”

Les trous noirs primordiaux pourraient même contribuer à expliquer un mystérieux excès de rayonnement infrarouge dans l’Univers. Selon l’équipe, la croissance des trous noirs primordiaux produirait la même signature infrarouge.

S’il serait certainement agréable de résoudre autant de mystères en “un seul coup”, il reste encore des questions auxquelles il faudrait répondre.

Par exemple, la lumière lointaine se déforme lorsqu’elle a traversé le champ gravitationnel d’un trou noir pour arriver jusqu’à nous, et nous n’avons tout simplement pas détecté ce phénomène assez fréquemment pour justifier tous les trous noirs qui constitueraient 85 % de la matière de l’Univers.

Il est possible que nous n’ayons tout simplement pas mené les bons types d’études. C’est l’objectif de l’article de l’équipe : ne pas prouver l’existence des trous noirs primordiaux, mais la justifier afin que nous puissions déterminer ce que nous devons rechercher.

Avec le lancement prochain du télescope spatial James Webb – espérons-le, croisons les doigts – nous pourrons peut-être obtenir des réponses.

“Si les premières étoiles et galaxies se sont déjà formées au cours de ce que l’on appelle ‘l’âge des ténèbres’, le Webb devrait être en mesure d’en voir les preuves”, déclare l’astronome Günther Hasinger de l’Agence spatiale européenne.

La recherche a été acceptée dans The Astrophysical Journal et est disponible sur le serveur de préimpression arXiv.

Lire aussi : C’est la première fois que des astronomes voient de la lumière provenant de l’autre côté d’un trou noir

Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche


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