Des trous noirs supermassifs auraient pu se former directement dans l’univers primordial

Il y a beaucoup de choses étonnantes dans notre Univers et un trou noir est l’un des plus méconnus. Nous ne savons pas avec certitude ce qui se passe à l’intérieur d’un trou noir et même la formation de trous noirs supermassifs dans l’univers primitif est encore en cours d’élaboration. Un groupe de physiciens du Brookhaven National Laboratory s’est attaqué à cette question et a proposé une solution possible au mystère. La nature de la matière noire peut également être résolue par leur théorie.

« La question encore sans réponse de la nature de la matière noire et la façon dont les trous noirs supermassifs primordiaux pourraient se développer si rapidement en si peu de temps sont deux questions ouvertes pressantes en physique et en astrophysique. Trouver une explication commune à ces observations est souhaitable et pourrait nous donner un aperçu du fonctionnement interne de l’Univers. »

Julia Gehrlein – Physicienne au Laboratoire national de Brookhaven

Des observations ont montré que des trous noirs supermassifs peuvent s’être formés dans l’univers primitif. Selon notre compréhension actuelle de la formation des trous noirs, il n’y aurait pas eu assez de temps pour que cela se produise. Ni l’accrétion (lorsque la matière tombe dans un trou noir) ni les collisions galactiques ne peuvent expliquer les trous noirs supermassifs primordiaux.

Les physiciens théoriciens Hooman Davoudiasl, Peter Denton et Julia Gehrlein ont développé un modèle qui décrit une solution possible en utilisant l’idée de la matière noire comme étant ultra-légère, avec une masse qui est de 28 ordres de grandeur plus légère que le proton mais qui s’étend peut-être sur des années-lumière par particule. « Dans notre cas, nous avons remarqué que [ultrafaint dwarf galaxies] montrent quelques indices préliminaires que la matière noire pourrait être ultra-légère », déclare Peter Denton. Il existe des preuves que la distribution de matière noire de ces galaxies n’est pas nette vers le centre, comme on pourrait s’y attendre. La matière noire ultra-légère serait une explication à cela. “Si l’étendue de la distribution de la matière noire est comparable dans toutes les galaxies, cela pourrait indiquer que la matière noire a une taille caractéristique et qu’elle est ultra-légère.”

L’expérience CIBER de la NASA cherche des indices sur la formation des premières étoiles et galaxies. Il étudiera la luminosité totale du ciel, pour sonder la composante des premières étoiles et galaxies à l’aide de signatures spectrales, et recherchera le motif spatial distinctif observé sur cette image, produit par des structures à grande échelle de matière noire. Cela montre une simulation numérique de la densité de la matière lorsque l’univers avait un milliard d’années. La formation des galaxies suit les puits gravitationnels produits par la matière noire, où l’hydrogène gazeux fusionne et les premières étoiles s’enflamment. Crédit : Volker Springel / Virgo Consortium.

Si la matière noire est ultra-légère, cela pourrait être la clé pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs primordiaux. Les conditions nécessaires pour que la matière s’effondre et forment un trou noir de taille supermassive étaient justes “quelques jours après le Big Bang lorsque l’Univers avait une température proche de celle du noyau du Soleil”, selon Hooman Davoudiasl. Ce serait 15 millions de Kelvins, ou 27 millions de degrés Fahrenheit. Ces températures seraient nécessaires pour que ce type particulier de matière existe. Une fois que la température de l’Univers a atteint le bon niveau, la pression a pu chuter à un niveau très bas, permettant à la matière de s’effondrer sous l’effet de la gravité. Cela ne se produirait pas avec des particules connues, d’où l’idée de matière noire ultra-légère.

Cet effondrement de la matière provoquerait des ondes gravitationnelles. “Ces ondes ont une forme caractéristique, nous faisons donc une prédiction pour ce signal et sa gamme de fréquences attendue”, explique Peter Denton. Lorsque des réseaux de synchronisation de pulsars de nouvelle génération plus sensibles seront mis en ligne, ils pourront peut-être détecter ces ondes et valider la théorie selon laquelle la matière noire est ou aurait pu être ultra-légère. Les scientifiques pourraient alors assembler davantage de pièces du puzzle pour mieux comprendre la matière noire, les trous noirs et notre formidable univers.

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