Toute la matière sombre de l’univers pourrait être des trous noirs primordiaux – formés à partir de l’effondrement des univers des bébés peu après le Big Bang

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Les univers de bébé qui se dérivent de notre univers peu après le Big Bang nous apparaissent comme des trous noirs. Crédits: Kavli IPMU

L’Institut de Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU) abrite de nombreux projets interdisciplinaires qui bénéficient de la synergie d’un large éventail d’expertises disponibles à l’institut. L’un de ces projets est l’étude des trous noirs qui auraient pu se former dans l’univers primitif, avant la naissance des étoiles et des galaxies.

De tels trous noirs primordiaux (PBH) pourraient représenter tout ou partie de la matière noire, être responsables de certains des ondes gravitationnelles signaux, et semer des trous noirs supermassifs trouvés au centre de notre galaxie et d’autres galaxies. Ils pourraient également jouer un rôle dans la synthèse d’éléments lourds lorsqu’ils entrent en collision avec des étoiles à neutrons et les détruisent, libérant des matériaux riches en neutrons.

En particulier, il existe une possibilité passionnante que la mystérieuse matière noire, qui représente la majeure partie de la matière dans l’univers, soit composée de trous noirs primordiaux. Le prix Nobel de physique 2020 a été décerné à un théoricien, Roger Penrose, et à deux astronomes, Reinhard Genzel et Andrea Ghez, pour leurs découvertes qui ont confirmé l’existence de trous noirs. Puisque les trous noirs sont connus pour exister dans la nature, ils font un candidat très attrayant pour la matière noire.

Les récents progrès de la théorie fondamentale, de l’astrophysique et des observations astronomiques à la recherche des PBH ont été réalisés par une équipe internationale de physiciens des particules, de cosmologues et d’astronomes, dont des membres de l’IPMU de Kavli Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada et Volodymyr Takhistov.

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Pour en savoir plus sur les trous noirs primordiaux, l’équipe de recherche s’est penchée sur l’univers primitif à la recherche d’indices. L’univers primitif était si dense que toute fluctuation de densité positive de plus de 50% créerait un trou noir. Cependant, les perturbations cosmologiques qui ont ensemencé les galaxies sont connues pour être beaucoup plus petites. Néanmoins, un certain nombre de processus dans l’univers primitif auraient pu créer les conditions propices à la formation des trous noirs.

Hyper Suprime Cam

Hyper Suprime-Cam (HSC) est un appareil photo numérique gigantesque sur le télescope Subaru. Crédit: HSC project / NAOJ

Une possibilité passionnante est que des trous noirs primordiaux pourraient se former à partir des «bébés univers» créés pendant l’inflation, une période d’expansion rapide qui serait responsable de l’ensemencement des structures que nous observons aujourd’hui, telles que les galaxies et les amas de galaxies. Pendant l’inflation, les univers de bébé peuvent se détacher de notre univers. Un petit univers de bébé (ou «fille») finirait par s’effondrer, mais la grande quantité d’énergie libérée dans le petit volume provoque la formation d’un trou noir.

Un destin encore plus particulier attend un univers de bébé plus grand. Si elle est plus grande qu’une certaine taille critique, la théorie de la gravité d’Einstein permet au bébé univers d’exister dans un état qui semble différent pour un observateur à l’intérieur et à l’extérieur. Un observateur interne le voit comme un univers en expansion, tandis qu’un observateur extérieur (comme nous) le voit comme un trou noir. Dans les deux cas, le grand et le petit bébé univers sont considérés par nous comme des trous noirs primordiaux, qui cachent la structure sous-jacente de multiples univers derrière leurs «horizons d’événements». L’horizon des événements est une limite en dessous de laquelle tout, même la lumière, est piégé et ne peut pas échapper au trou noir.

Trou noir primordial de la galaxie d'Andromède

Une étoile de la galaxie d’Andromède devient temporairement plus brillante si un trou noir primordial passe devant l’étoile, focalisant sa lumière conformément à la théorie de la gravité. Crédit: Kavli IPMU / HSC Collaboration

Dans leur article, l’équipe a décrit un nouveau scénario pour la formation de PBH et a montré que les trous noirs du scénario «multivers» peuvent être trouvés en utilisant l’Hyper Suprime-Cam (HSC) du télescope Subaru de 8,2 m, un appareil photo numérique gigantesque – le gestion dont Kavli IPMU a joué un rôle crucial – près du sommet de 4200 mètres du mont. Mauna Kea à Hawaï. Leur travail est une extension passionnante de la recherche HSC de PBH que Masahiro Takada, un chercheur principal à l’IPMU de Kavli, et son équipe poursuivent. L’équipe HSC a récemment signalé des contraintes majeures sur l’existence des PBH à Niikura, Takada et. Al. Nature Astronomy 3, 524-534 (2019)

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Pourquoi le HSC était-il indispensable dans cette recherche? Le HSC a une capacité unique à imager toute la galaxie d’Andromède toutes les quelques minutes. Si un trou noir passe à travers la ligne de visée de l’une des étoiles, la gravité du trou noir plie les rayons lumineux et fait paraître l’étoile plus brillante qu’avant pendant une courte période de temps. La durée de l’éclaircissement de l’étoile indique aux astronomes la masse du trou noir. Avec les observations HSC, on peut observer simultanément cent millions d’étoiles, jetant un large filet pour les trous noirs primordiaux qui peuvent traverser l’une des lignes de visée.

Les premières observations HSC ont déjà rapporté un événement candidat très intrigant cohérent avec un PBH du «multivers», avec une masse de trou noir comparable à la masse de la Lune. Encouragée par ce premier signe et guidée par la nouvelle compréhension théorique, l’équipe mène une nouvelle série d’observations pour étendre la recherche et fournir un test définitif pour savoir si les PBH du scénario multivers peuvent rendre compte de toute la matière noire.

Référence: «Explorer les trous noirs primordiaux du multivers avec des télescopes optiques» par Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takhistov et Edoardo Vitagliano, 30 octobre 2020, Lettres d’examen physique.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.181304

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