Comment les trous noirs sont devenus supermassifs

a = 10 17 GeV (violet) et f a = 10 18 GeV (orange ). L’intensité de la couleur représente une diminution de ′ ′ de 1 à 0,01. Crédit : Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.128.081101″ width=”500″ height=”530″/>

Graphique récapitulatif des contraintes et des régions préférées de notre modèle dans le plan de masse masse-axion SMBH. La région verte montre les masses SMBH observées au redshift ∼6–7. La région bleue correspond aux contraintes de la superradiance BH (BHSR), la région grise montre les contraintes des mesures de la forêt Lyman-α, et dans la région rouge, la longueur d’onde de DM dépasse les plus petites structures DM observées, ce qui fournit une limite inférieure sur la masse DM (voir le texte principal pour plus de détails). Les régions orange et violette fournissent deux scénarios de référence pour la relation entre la masse de l’axion et la masse primordiale de SMBH donnée dans l’équation. (5) avec fou= 1017 GeV (violet) et fou= 1018 GeV (orange). L’intensité de la couleur représente une diminution de ′ ′ de 1 à 0,01. Crédit: Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.128.081101

Les trous noirs font partie des mystères les plus fascinants de l’univers. Rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper d’un trou noir. Et au centre de presque toutes les galaxies se trouve un trou noir supermassif qui est des millions à des milliards de fois plus massif que le soleil. Comprendre les trous noirs et comment ils sont devenus supermassifs pourrait éclairer l’évolution de l’univers.

Trois physiciens du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) ont récemment développé un modèle pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs, ainsi que la nature d’un autre phénomène : la matière noire. Dans un article publié dans Lettres d’examen physiqueles physiciens théoriciens Hooman Davoudiasl, Peter Denton et Julia Gehrlein décrivent une transition de phase cosmologique qui a facilité la formation de trous noirs supermassifs dans un secteur sombre de l’univers.

Une transition de phase cosmologique s’apparente à un type de transition de phase plus familier : porter l’eau à ébullition. Lorsque l’eau atteint la bonne température exacte, elle éclate en bulles et en vapeur. Imaginez que ce processus se déroule avec un état primordial de la matière. Ensuite, inversez le processus pour qu’il ait un effet de refroidissement et agrandissez-le à l’échelle de l’univers.

“Avant l’existence des galaxies, l’univers était chaud et dense, et c’est bien établi. La façon dont l’univers s’est refroidi jusqu’à ce que nous avons observé aujourd’hui est un sujet d’intérêt car nous n’avons pas de données expérimentales décrivant comment cela s’est produit”, a déclaré Peter Denton. “Nous pouvons prédire ce qui est arrivé aux particules connues car elles interagissent souvent. Mais que se passe-t-il s’il existe des particules non encore connues qui fonctionnent différemment ?”

Pour explorer cette question, l’équipe de Brookhaven a développé un modèle pour un secteur sombre de l’univers, où les particules encore à découvrir abondent et interagissent rarement. Parmi ces particules, il pourrait y avoir de la matière noire ultra-légère, supposée être 28 ordres de grandeur plus légère qu’un proton. La matière noire n’a jamais été observée directement, mais les physiciens pensent qu’elle constitue la majeure partie de la matière de l’univers en raison de ses effets gravitationnels.

“La fréquence des interactions entre les particules connues suggère que la matière, telle que nous la connaissons, ne se serait pas effondrée en trous noirs de manière très efficace”, a déclaré Denton. “Mais, s’il y avait un secteur sombre avec de la matière noire ultra-légère, l’univers primitif aurait peut-être eu les conditions idéales pour une forme d’effondrement très efficace.”

Des observations récentes ont suggéré que des trous noirs supermassifs se sont formés dans l’univers primitif, bien plus tôt que ne le pensaient les physiciens. Cette découverte laisse peu de temps pour expliquer la croissance des trous noirs supermassifs. Les physiciens savent que les trous noirs acquièrent de la masse principalement par deux moyens. Une façon, appelée accrétion, se produit lorsque la matière, principalement de la poussière, tombe dans les trous noirs. Mais il y a une limite à la vitesse à laquelle la matière peut s’accumuler dans les trous noirs par accrétion. La deuxième voie passe par des collisions galactiques, au cours desquelles deux trous noirs peuvent fusionner ; cependant, dans l’univers primitif, les galaxies commençaient tout juste à se former. Ainsi, les physiciens se demandent comment ces anciennes merveilles cosmologiques sont devenues si massives si rapidement. Les particules de matière noire ultralégères pourraient être la pièce manquante.

“Nous avons théorisé comment les particules du secteur sombre pourraient subir une transition de phase qui permet à la matière de s’effondrer très efficacement dans les trous noirs”, a déclaré Denton. “Lorsque la température de l’univers est juste, la pression peut chuter soudainement à un niveau très bas, permettant à la gravité de prendre le dessus et à la matière de s’effondrer. Notre compréhension des particules connues indique que ce processus ne se produirait pas normalement.”

Une telle transition de phase serait un événement dramatique, même pour quelque chose d’aussi spectaculaire que l’univers.

“Ces effondrements sont un gros problème. Ils émettent des ondes gravitationnelles”, a déclaré Denton. “Ces ondes ont une forme caractéristique, nous faisons donc une prédiction pour ce signal et sa gamme de fréquences attendue.”

Les expériences actuelles sur les ondes gravitationnelles ne sont pas suffisamment sensibles pour valider la théorie, mais les expériences de nouvelle génération pourraient être en mesure de détecter les signaux de ces ondes. Et sur la base de la forme caractéristique des ondes, les physiciens pourraient alors se concentrer sur les détails de la formation de trous noirs supermassifs. D’ici là, les théoriciens de Brookhaven continueront d’évaluer de nouvelles données et d’affiner leur modèle.


Des trous noirs se sont-ils formés immédiatement après le Big Bang ?


Plus d’information:
Hooman Davoudiasl et al, Trous noirs supermassifs, matière noire ultralégère et ondes gravitationnelles d’une transition de phase du premier ordre, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.128.081101

Fourni par le laboratoire national de Brookhaven

Citation: Le côté obscur de l’univers : comment les trous noirs sont devenus supermassifs (11 mars 2022) récupéré le 18 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-dark-side-universe-black-holes.html

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