Cette animation montre une interprétation d’un artiste de la structure nuageuse révélée par une étude des données du satellite Rossi X-Ray Timing Explorer de la NASA. Crédit : Wolfgang Steffen, UNAM
Explications de manuels en cours, astrophysiciens de l’Université de Miami, Université de Yale, et l’Agence spatiale européenne suggèrent que les trous noirs primordiaux représentent toute la matière noire de l’univers.
Proposant un modèle alternatif sur la façon dont l’univers est né, une équipe d’astrophysiciens suggère que tous les trous noirs, de ceux aussi minuscules qu’une tête d’épingle à ceux couvrant des milliards de kilomètres, ont été créés instantanément après le Big Bang et compte de toute la matière noire.
C’est l’implication d’une étude menée par des astrophysiciens de l’Université de Miami, de l’Université de Yale et de l’Agence spatiale européenne qui suggère que les trous noirs existent depuis le début de l’univers et que ces trous noirs primordiaux pourraient être encore inexpliqués. matière. Si cela s’avère vrai avec les données recueillies depuis le lancement de ce mois-ci du Télescope spatial James Webb, la découverte pourrait transformer la compréhension scientifique des origines et de la nature de deux mystères cosmiques : la matière noire et les trous noirs.
“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 l’a suggéré Stephen Hawking dans les années 1970”, a déclaré Nico Cappelluti, professeur adjoint de physique au Université de Miami et premier auteur de l’étude dont la publication est prévue dans Le Journal d’Astrophysique.
“Cela aurait plusieurs implications importantes”, a poursuivi Cappelluti, qui a élargi cette année les recherches qu’il a commencées à Yale en tant que boursier postdoctoral du Yale Center for Astronomy and Astrophysics Prize. « Premièrement, nous n’aurions pas besoin d’une « nouvelle physique » pour expliquer la matière noire. De plus, cela nous aiderait à répondre à l’une des questions les plus convaincantes de l’astrophysique moderne : comment les trous noirs supermassifs dans l’univers primitif ont-ils pu devenir si gros si vite ? Compte tenu des mécanismes que nous observons aujourd’hui dans l’univers moderne, ils n’auraient pas eu le temps de se former. Cela résoudrait également le mystère de longue date de la raison pour laquelle la masse d’une galaxie est toujours proportionnelle à la masse du supermassif trou noir en son centre.
La matière noire, qui n’a jamais été directement observée, est considérée comme la majeure partie de la matière dans l’univers et agit comme l’échafaudage sur lequel les galaxies se forment et se développent. D’autre part, des trous noirs, qui peuvent être trouvés au centre de la plupart des galaxies, ont été observés. Un point dans l’espace où la matière est si étroitement compactée qu’ils créent une gravité intense.
Co-écrite par Priyamvada Natarajan, professeur d’astronomie et de physique à Yale, et Günther Hasinger, directeur scientifique à l’Agence spatiale européenne (ESA), la nouvelle étude suggère que les trous noirs primordiaux de toutes tailles représentent toute la matière noire. dans l’univers.
Comment se sont formés les trous noirs supermassifs ? Qu’est-ce que la matière noire ? Dans un modèle alternatif sur la façon dont l’Univers est né, par rapport à l’histoire « de manuel » de l’Univers, une équipe d’astronomes propose que ces deux mystères cosmiques pourraient être expliqués par ce que l’on appelle des « trous noirs primordiaux ». Dans le graphique, l’accent est mis sur la comparaison du moment de l’apparition des premiers trous noirs et étoiles, et ne signifie pas qu’il n’y a pas de trous noirs pris en compte dans le modèle standard. Crédit : ESA
“Les trous noirs de différentes tailles sont toujours un mystère”, a expliqué Hasinger. “Nous ne comprenons pas comment les trous noirs supermassifs ont pu devenir si énormes dans le temps relativement court disponible depuis l’existence de l’univers.”
Leur modèle peaufine la théorie proposée pour la première fois par Hawking et son collègue physicien Bernard Carr, qui a fait valoir que dans la première fraction de seconde après le Big Bang, de minuscules fluctuations de la densité de l’univers peuvent avoir créé un paysage ondulant avec des régions « bosselées » qui avait une masse supplémentaire. Ces zones grumeleuses s’effondreraient en trous noirs.
Cette théorie n’a pas gagné en traction scientifique, mais Cappelluti, Natarajan et Hasinger suggèrent qu’elle pourrait être valide avec quelques légères modifications. Leur modèle montre que les premières étoiles et galaxies se seraient formées autour des trous noirs dans l’univers primitif. Ils proposent également que les trous noirs primordiaux auraient eu la capacité de se transformer en trous noirs supermassifs en se régalant de gaz et d’étoiles à proximité, ou en fusionnant avec d’autres trous noirs.
« 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 au centre du voie Lactée“, a déclaré Natarajan. “Ce que je trouve personnellement super excitant à propos de cette idée, c’est la façon dont elle unifie avec élégance les deux problèmes vraiment difficiles sur lesquels je travaille – celui de sonder la nature de la matière noire et la formation et la croissance des trous noirs – et les résout d’un seul coup. “
Les trous noirs primordiaux peuvent également résoudre une autre énigme cosmologique : l’excès de rayonnement infrarouge, synchronisé avec le rayonnement X, qui a été détecté à partir de sources lointaines et sombres dispersées dans l’univers. Les auteurs de l’étude ont déclaré que la croissance des trous noirs primordiaux présenterait “exactement” la même signature de rayonnement.
Et, mieux encore, l’existence de trous noirs primordiaux pourrait être prouvée – ou infirmée – dans un proche avenir, grâce au télescope Webb dont le lancement est prévu depuis la Guyane française avant la fin de l’année et l’antenne spatiale interféromètre laser dirigée par l’ESA. (LISA) prévue pour les années 2030.
Développé par Nasa, l’ESA et l’Agence spatiale canadienne pour succéder au Le télescope spatial Hubble, le Webb peut remonter à plus de 13 milliards d’années. Si la matière noire est composée de trous noirs primordiaux, davantage d’étoiles et de galaxies se seraient formées autour d’eux dans l’univers primitif, ce qui est précisément ce que la machine à voyager dans le temps cosmique pourra voir.
“Si les premières étoiles et galaxies se sont déjà formées au cours des soi-disant” âges sombres “, Webb devrait pouvoir en voir des preuves”, a déclaré Hasinger.
LISA, quant à lui, sera capable de capter les signaux d’ondes gravitationnelles des premières fusions de trous noirs primordiaux.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Les trous noirs pourraient être de la matière noire – et pourraient avoir existé depuis le début de l’univers.
Référence : “Exploring the high-redshift PBH-ΛCDM Universe: early black hole seeding, the first stars and cosmic radiation backgrounds” par N. Cappelluti, G. Hasinger et P. Natarajan, Accepted, Le Journal d’Astrophysique.
arXiv : 2109.08701
