Relier les origines de la matière noire et des trous noirs géants

L’espace abrite de mystérieux géants – des trous noirs qui sont devenus plus grands et plus rapides que ne le prévoyaient les scientifiques. La formation de ces mastodontes pourrait partager une racine commune avec un autre mystère cosmique, la matière noire, selon une étude récente.

Les astrophysiciens savent que les morts violentes d’étoiles peuvent former des trous noirs généralement jusqu’à des dizaines de fois la masse du soleil. Pourtant, les astronomes ont vu des trous noirs qui représentent des milliards de masses solaires, explique Hooman Davoudiasl, physicien théoricien des particules au Brookhaven National Laboratory à New York et auteur de l’étude publiée le mois dernier dans Lettres d’examen physique. De plus, il existe des preuves que ces “géants” existent depuis le premier milliard d’années de l’histoire de l’univers.

Bien que les trous noirs se développent au fil du temps en absorbant les étoiles ou en se combinant les uns aux autres, les scientifiques ne savent pas comment certains des plus grands trous noirs auraient pu manger suffisamment d’étoiles pour atteindre leur taille si rapidement, à peu près dans les 10 premiers pour cent de l’histoire de l’univers.

Une explication possible est que ces trous noirs sont primordiaux, ce qui signifie qu’ils se sont formés dans l’univers primitif et sont antérieurs aux premières étoiles, explique Davoudiasl. À l’époque, l’univers était beaucoup plus chaud et plus dense – à peu près la température du noyau du soleil.

Le fait que l’univers primitif ait subi un changement rapide est la clé de la théorie du groupe, déclare Julia Gehrlein, physicienne au Brookhaven National Laboratory et autre auteur de l’étude.

Ce changement, qu’ils appellent une transition de phase, a rendu plus probable l’effondrement des régions les plus denses de l’univers primitif en trous noirs. C’est un peu comme les transitions de phase que nous voyons dans les états de la matière – par exemple, l’eau liquide devient un gaz, dit Gehrlein. “L’eau se comporte différemment avant et après la transition de phase”, dit-elle, et il en va de même pour les particules de l’univers primitif.

Cette transition aurait été un “événement turbulent et violent” qui pourrait créer des ondes gravitationnelles, dit Davoudiasl.

Cela se serait produit dans ce que les scientifiques appellent le “secteur sombre”, c’est-à-dire parmi la matière noire et d’autres particules que nous ne pouvons pas observer directement. Le secteur sombre signifie tout ce qui est en dehors des «particules modèles standard que nous connaissons», qui constituent les atomes, dit Gehrlein.

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Si et comment la formation de trous noirs primordiaux s’est produite est quelque peu controversée parmi les scientifiques. Une transition de phase aurait permis à certaines poches denses de l’univers de s’effondrer en trous noirs supermassifs primordiaux, explique Gehrlein. D’autres groupes ont étudié les implications de ce type de transition, mais cette étude est la première à relier les trous noirs supermassifs et la matière noire de cette manière, dit-elle.

“Nous pourrions connecter la masse de notre candidat de matière noire et la masse de ces trous noirs l’une à l’autre car les deux dépendent de la température à laquelle cette transition se produit”, explique Gehrlein. Une température égale à celle du noyau de notre soleil fonctionne bien avec une théorie de la formation de matière noire ultra-légère et celle des trous noirs primordiaux.

Pendant ce temps, la transition de phase aurait également pu conduire à l’existence de particules de matière noire ultra-légères – des particules qui ne représenteraient qu’une infime fraction de la masse d’un neutrino, qui est la particule la plus légère connue.

Il est possible que le mystère entourant la croissance des trous noirs et la raison pour laquelle nous avons de la matière noire soient “les deux faces d’une même pièce”, déclare Davoudiasl. Si “cet événement, cette transition de phase qui s’est produite à cette température, a donné naissance à ces trous noirs supermassifs”, dit-il, il aurait “fourni exactement les bons ingrédients” pour former également des particules de matière noire ultra-légères.

La formation de trous noirs supermassifs et la nature de la matière noire “appartiennent aux questions ouvertes les plus pressantes de l’astronomie et de la physique contemporaines”, déclare Tanja Rindler-Daller, astronome à l’Université de Vienne qui n’a pas participé à l’étude.

“Tout modèle qui peut expliquer de manière convaincante les deux d’un coup serait certainement révolutionnaire”, étant donné qu’il se déroule dans la réalité, dit Rindler-Daller.

Les chercheurs peuvent chercher des signes pour prouver ou réfuter la théorie de deux manières principales, dit Gehrlein. Ils peuvent essayer de comprendre si la matière noire ultra-légère existe, en étudiant l’effet des particules sur l’astrophysique des galaxies. Il est également possible que les chercheurs puissent mesurer les ondes gravitationnelles produites au début de l’univers. En utilisant de futurs détecteurs – à des fréquences différentes de celles détectées par l’observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser avancé, ou LIGO – les chercheurs pourraient entrevoir des ondulations de ces temps turbulents de l’univers primitif.

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