Découverte théorique d’un nouveau type de trou noir. Ils sont « poilus » et entourés d’anneaux de particules élémentaires

Dans notre étude publiée le 21 octobre 2024 dans la revue Physical Review Letters, nous prédisons l’existence d’un nouveau type de trous noirs qui seraient entourés d’anneaux de forme similaire à ceux de Saturne, mais constitués de particules élémentaires.

La théorie de la relativité générale d’Einstein prédisait l’existence de trous noirs : des régions de l’espace-- où la gravité est si intense que rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper. Leur existence hypothétique a été formulée en 1916 lorsque furent obtenues les solutions aux équations mathématiques de la relativité générale décrivant les trous noirs.

Cependant, leur existence réelle a ensuite été débattue par les scientifiques pendant près d’un siècle. En 1965, les travaux théoriques du mathématicien britannique Roger Penrose démontraient que les trous noirs sont inévitablement formés par l’effondrement gravitationnel des étoiles et il faudra attendre les années 1990 pour que les observations astronomiques, réalisées par deux astrophysiciens américains Reinhard Genzel et Andrea Ghez, révèlent ce qui semble être le cas. être un gigantesque trou noir au centre de notre galaxie. Cette découverte leur vaudra, ainsi qu’à Roger Penrose, le prix Nobel de physique en 2020.

Aujourd’hui, grâce aux observations de la collaboration internationale Télescope Horizon Événementielnous sommes capables de discerner l’ombre du trou noir situé au centre de la Voie Lactée.

L’existence de trous noirs dans l’Univers est donc solidement établie, mais les découvertes ne s’arrêtent pas là. Aujourd’hui, nous prédisons l’existence de trous noirs d’un nouveau type, suggéré par le Modèle Standard des forces fondamentales.

L’origine des trous noirs

Il est désormais communément admis que les trous noirs sont omniprésents dans notre Univers. On distingue généralement deux scénarios expliquant leur formation.

Il y a d’abord les trous noirs stellaireformée par l’effondrement gravitationnel d’étoiles ordinaires à la fin de leur vie, c’est-à-dire lorsqu’elles finissent par s’effondrer sous leur propre poids après avoir épuisé tout leur carburant. Leur masse varie généralement de 2 à 3 masses solaires à des dizaines, voire des centaines, de masses solaires. Après leur formation, ces trous noirs stellaires peuvent se développer en absorbant la matière environnante. Ils peuvent également fusionner les uns avec les autres, avec une émission importante d’ondes gravitationnelles, dont la première détection a été reconnue par le prix Nobel de physique en 2017.

Il est également possible que certains trous noirs, appelés primordialont été formés par l’effondrement de la matière primaire au cours de la première seconde après le Big Bang. La masse de ces trous noirs primordiaux peut être gigantesque, jusqu’à des milliards de masses solaires pour les trous noirs supermassifs situés au centre de la plupart des galaxies. Mais elle peut aussi être petite, de l’ordre des planètes ou des astéroïdes, concentrée dans un rayon inférieur au centimètre ! Il est donc possible que l’Univers soit parsemé de ces minuscules trous noirs primordiaux dont la détection future constitue un défi majeur pour l’astrophysique observationnelle. Même des trous noirs primordiaux plus légers auraient dû s’évaporer très rapidement selon le processus de Hawking et n’auraient pas survécu jusqu’à nos jours.

Nos résultats suggèrent que certains des petits trous noirs primordiaux qui existent encore aujourd’hui pourraient avoir une nouvelle propriété : être « poilus ».

Les trous noirs « n’ont pas de cheveux »

Les trous noirs stellaires ne gardent aucun souvenir de l’étoile qui s’est effondrée ayant conduit à leur formation, si ce n’est celui de sa masse, de sa charge électrique (ou magnétique) et de sa vitesse de rotation. Toutes les autres caractéristiques de leur état initial (par exemple la composition chimique de l’étoile) sont complètement perdues lors de l’effondrement, et tous les trous noirs de même masse, même charge et même vitesse de rotation sont absolument identiques.

Le physicien américain John Wheeler a illustré cette propriété avec une phrase devenue célèbre : « les trois noirs n’ont pas de cheveux », où par « cheveux » on entend tout paramètre autre que la masse, la charge et la vitesse. de rotation.

Cette propriété des trous noirs stellaires est confirmée par des théorèmes d’unicité, tandis que, pour les trous noirs primordiaux, elle a été postulée comme une conjecture, partiellement confirmée par une série de « théorèmes de calvitie ».

Et pourtant… les débuts des trous noirs poilus

Parmi les quatre forces fondamentales de la nature, il y en a deux, la gravitation et l’électromagnétisme, qui agissent à l’échelle macroscopique et expliquent la structure des trous noirs stellaires qui sont « chauves ». Les deux autres forces, dites faible et forte, n’agissent qu’à l’échelle microscopique, à l’intérieur des atomes. Ces deux dernières forces fondamentales peuvent-elles influencer la structure des trous noirs ?

Les théories physiques qui décrivent ces forces sont assez compliquées à étudier, et c’est pour cette raison que les physiciens se sont d’abord concentrés sur des modèles théoriques simplifiés. C’est grâce à ces modèles simplifiés que les trous dits noirs ont été découverts. poiluc’est-à-dire entourés d’une coque de matériau intrinsèquement liée à eux et donc caractérisés par des paramètres supplémentaires (autres que masse, charge, vitesse de rotation) qui permettent de les distinguer les uns des autres.

Depuis leur première découverte en 1989, de nombreux exemples de trous noirs poilus ont été trouvés par les physiciens théoriciens, mais toujours dans le cadre de théories simplifiées ou au contraire extrêmement spéculatives. Ces trois noirs existent sur papier comme solutions à des équations mathématiques, mais rien ne confirme qu’ils existent réellement dans notre Univers.

Trous noirs aux « cheveux électrofaibles »

Dans notre étude, nous avons considéré l’unification de trois théories exactes, non simplifiées et confirmées expérimentalement, qui rassemblent trois des quatre forces fondamentales : la gravitation, l’électromagnétisme et la force nucléaire faible (les deux dernières forment ensemble la force électrofaible).

Les solutions que nous avons obtenues en résolvant les équations de ces théories combinées décrivent des trous noirs chargés magnétiquement entourés d’un anneau en forme de « cheveux ».

Ces anneaux sont composés de particules élémentaires (plus précisément les bosons W, Z et Higgs), sous la forme d’un condensat de Bose-Einstein — un état particulier de la matière apparaissant dans certaines situations. En laboratoire, il a été observé des atomes froids piégés à l’aide de lasers (ce qui a valu à ses découvreurs un prix Nobel en 2001). Dans notre cas, c’est le champ magnétique intense du trou noir chargé qui produit le condensat électrofaible, et comme ce dernier est également chargé magnétiquement, il est repoussé du trou noir par la force magnétique et ne tombe donc pas à l’intérieur. Cependant, il n’est pas non plus éjecté davantage, car il est attiré vers le trou noir par la force gravitationnelle. Il reste donc piégé à l’extérieur du trou noir.

Nos trous noirs en anneau, d’un type nouveau, peuvent être de taille macroscopique, de l’ordre du centimètre, alors que les particules élémentaires qui composent leurs anneaux apparaissent normalement à l’échelle de l’infiniment petit.

Comme ces trous noirs sont décrits par des théories confirmées expérimentalement, cela suggère fortement qu’ils existent non seulement en tant que solutions mathématiques, mais également en tant qu’objets réels dans l’Univers.

Pourrait-on détecter ces trous noirs ?

Il est clair que ces trous noirs poilus ne pourraient pas se former aujourd’hui. En revanche, les conditions favorables à leur formation auraient pu être rencontrées dans les premiers instants de l’Univers, dans le plasma primordial extrêmement dense et fluctuant. Il s’agirait donc de trous noirs primordiaux.

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Il est important de noter que ces trous noirs sont stables, car la présence des anneaux réduit la masse du trou noir, donc s’en débarrasser serait énergétiquement défavorable. Ils pourraient donc parvenir à survivre jusqu’à aujourd’hui et faire partie de la matière noire, cette substance dont la nature exacte reste à ce jour inconnue et qui ne peut être détectée que par son influence gravitationnelle. Ces trous noirs poilus pourraient être détectés par leur interaction avec des étoiles à neutrons en rotation (pulsars), car s’ils sont absorbés par l’une d’elles (ce qui peut arriver car ils sont beaucoup plus petits et plus légers), alors l’étoile continue d’exister avec le trou noir. à l’intérieur mais cela doit changer brusquement sa période de rotation, ce qui pourrait être détectable.