Quels sont les trous noirs primordiaux?

Nés dans la première seconde après le Big Bang, ces objets encore invisibles pourraient apporter des réponses aux questions en suspens des astronomes.

Par Alison Klesman  | Publication: mercredi 10 juillet 2019

SUJETS CONNEXES: TROUS NOIRS | COSMOLOGIE | BIG BANG

Les théories affirment que certains trous noirs auraient pu se former dans la première seconde du Big Bang.

NASA / ESA et G. Bacon (STScI)

Tous les trous noirs que les astronomes ont vus entrent dans l'une des trois catégories suivantes: trous noirs de masse stellaire, trous noirs de masse intermédiaire et trous noirs supermassifs. Chacun est plus massif que notre Soleil et s'est formé au moins des centaines de milliers d'années après le Big Bang, alors que notre univers grandissait et évoluait.

Mais il y a un autre type d'astronomes du trou noir qui n'ont pas encore vu, mais penser pourrait exister. Ce sont des trous noirs primordiaux.

Comme leur nom l'indique, les trous noirs primordiaux sont nés très tôt dans la vie de l'univers, à peine une fraction de seconde après le Big Bang. Il a fallu longtemps avant que les étoiles ou les galaxies (et d'autres types de trous noirs) puissent exister. Mais certaines théories prédisent que les trous noirs primordiaux auraient de toute façon dû apparaître sur la scène. En effet, dans cette fraction de seconde après le début de l'univers lui-même, l'espace n'était pas complètement homogène (le même à chaque point). Au lieu de cela, certaines zones étaient plus denses et plus chaudes que d'autres, et ces régions denses auraient pu s'effondrer en trous noirs.

Une brève fenêtre

Il n'y a eu qu'une petite période de temps - environ 1 seconde - après le Big Bang lorsque des trous noirs primordiaux auraient pu se former. Mais dans le monde extrême de notre univers primitif en expansion, beaucoup de choses peuvent se produire en une seconde. Et plus tard dans cette fenêtre de temps que les trous noirs primordiaux se sont formés, plus ils seraient massifs. Selon le moment exact où ils se sont formés, les trous noirs primordiaux peuvent avoir des masses aussi faibles que 10 -7 onces (10 -5 grammes), soit 100 000 fois moins qu'un trombone, jusqu'à environ 100 000 fois plus grandes que le Soleil.

L'idée de ces minuscules trous noirs a intrigué l'astrophysicien Stephen Hawking, qui a exploré leurs propriétés mécaniques quantiques. Ce travail a conduit à sa découverte en 1974 que les trous noirs peuvent s'évaporerheures supplémentaires. Et alors que Hawking a finalement réalisé qu'un grand trou noir s'évaporerait plus longtemps que l'univers ne l'a été jusqu'à présent, de petits trous noirs auraient en effet pu s'évaporer ou être en train de le faire, selon leur masse. Hawking a calculé que tout trou noir primordial avec une masse supérieure à 10 12 livres ([10 12 kilogrammes]; c'est bien moins que la masse de n'importe quelle planète, planète naine et la plupart des astéroïdes et comètes nommés dans notre système solaire) pourrait encore être autour aujourd'hui, alors que ceux moins massifs auraient déjà disparu.

Et en fonction de leur masse (qui, rappelez-vous, dépend de la date de leur formation), tout trou noir primordial laissé aujourd'hui pourrait parfaitement expliquer certains des problèmes en suspens en astronomie.

Les galaxies, y compris la Voie lactée (à gauche) et Andromède, ont de grands halos de matière sombre (gris) s'étendant bien au-delà de leurs étoiles visibles et de leur poussière. Si les trous noirs primordiaux sont une forme de matière noire appelée MACHO, ils pourraient résider dans ces halos.

Kavli IPMU

Candidats de matière noire

Un de ces problèmes est la matière noire. Bien qu'il représente environ 30 pour cent de notre univers, les astronomes restent perplexes quant à la matière sombre exactement est. Les trous noirs primordiaux pourraient être la réponse - ou, du moins, en faire partie. Les trous noirs primordiaux pourraient être un type de matière noire appelée MACHO, qui signifie des objets halo compacts massifs, car les astronomes pensent qu'ils se trouvent dans les halos, ou à la périphérie, des galaxies. De tels trous noirs seraient difficiles à voir s'ils flottent simplement tranquillement dans l'espace et se gardent pour eux-mêmes. Une façon de repérer les MACHO consiste à rechercher des événements appelés microlentilles, qui se produisent lorsqu'un objet massif (par exemple, un trou noir) passe devant un objet plus éloigné, comme une étoile ou une galaxie. Le trou noir plie la lumière de la source éloignée qui l'entoure, éclaircissant et agrandissant l'image. Ces événements sont peu fréquents et de courte durée, mais en attraper suffisamment pourrait permettre aux astronomes de déterminer ce que sont les objets faisant la microlentille et s'ils pourraient être des trous noirs primordiaux. Cependant, plusieursdes études récentes ont déterminé que même si des trous noirs primordiaux de ce type existent, ils ne peuvent probablement pas expliquer tout ou même la plupart des effets de matière noire que nous voyons.

Une autre façon de rechercher de grands trous noirs primordiaux est par le biais de fusions. Les observatoires des ondes gravitationnelles comme LIGO et VIRGO ont déjà vu plusieurs fusions de trous noirs, et les projets futurs comme LISA seront de détecter des fusions de masses différentes de celles que nous pouvons actuellement repérer. Parce que les astronomes peuvent retracer les masses des trous noirs qui fusionnent, ils pourraient constater que les événements futurs ont été causés par des trous noirs avec les bonnes masses pour en faire des trous noirs primordiaux.

Alternativement, les trous noirs primordiaux pourraient être minuscules. Certaines théories soutiennent que bien que les trous noirs s'évaporent, il peut y avoir une limite de taille. Ainsi, lorsqu'un trou noir s'évaporant atteint une certaine masse, il cesse de s'évaporer et reste tout simplement très petit. Si tel est le cas, les trous noirs primordiaux pourraient toujours représenter la matière noire, quoique d'une manière différente, et les rechercher serait plus difficile. Peut-être que les astronomes pourraient repérer des trous noirs qui s'évaporent encore, ce qui dégagerait des particules énergétiques, qui à leur tour dégageraient des rayons gamma . Si les trous noirs finissent par exister sans s'arrêter, ils pourraient mourir dans des explosions d'énergie intenses - équivalant à environ un million de bombes à hydrogène de 1 mégatonne, a écrit Hawking - que nous pourrions également repérer comme des éclats de rayons gamma.

Graines supermassives

Même s'ils ne tiennent pas compte de la matière noire, il existe un deuxième problème en astrophysique auquel les trous noirs primordiaux pourraient répondre. Les trous noirs primordiaux d'une taille différente - plus grande - que ceux nécessaires pour expliquer la matière noire pourraient plutôt expliquer les trous noirs supermassifs que les astronomes voient au centre de galaxies massives. Ces trous noirs, des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil, ne peuvent pas être créés par une ou même plusieurs étoiles qui explosent. Les astronomes ne savent pas comment ces trous noirs y sont arrivés ni ce qui les a créés; peut-être sont-ils construits à partir de trous noirs primordiaux qui existent depuis la première seconde de notre univers, servant de graines à partir desquelles des trous noirs supermassifs pourraient se développer.

Cette possibilité, cependant, peut également ne pas être probable, car les trous noirs primordiaux devaient se former au moment où l'univers n'avait que 1 seconde. Même les trous noirs primordiaux qui se sont formés au dernier instant possible ne seraient, selon la physique, que 100 000 fois plus massifs que le Soleil, ce qui n'est pas vraiment dans la classe de poids des trous noirs supermassifs. Pour obtenir les trous noirs encore plus grands que nous voyons aujourd'hui, ils devraient tirer beaucoup de matière et se développer très rapidement. Ce n'est pas impossible, mais cela explique peut-être moins le nombre de trous noirs supermassifs qui existent aujourd'hui.

Peu importe où et comment ils se trouvent, les trous noirs primordiaux pourraient en dire beaucoup aux astronomes sur l'univers dans lequel nous vivons. Selon leur masse, ils pourraient servir de sondes sur l'évolution des galaxies, la physique des hautes énergies et même les premières fractions de une seconde après la naissance de l'univers. Mais bien que des trous noirs primordiaux puissent exister, ils n'ont pas encore été vus, et restent actuellement l'une des grandes questions de l'astronomie, plutôt qu'une réponse ordonnée.

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/news/2019/07/primordial-black-holes?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR36M64Av1DZV1mluX5JcxuWPLar1DFSOyCpEDqJH_AiNNiCc7VJeY8Wqkk