Des recherches récentes explorent le potentiel du télescope spatial romain Nancy Grace à détecter les trous noirs primordiaux de la masse terrestre, une classe théorique de trous noirs qui se seraient formés lors de l’inflation rapide du premier univers. Ces découvertes pourraient confirmer les théories de l’inflation cosmique et suggérer que les trous noirs primordiaux contribuent à la matière noire, ce qui aurait un impact profond sur notre compréhension de la formation des galaxies et de l’histoire de l’univers. Crédit : Issues.fr.com
De nouvelles études suggèrent le Nancy Grace Télescope spatial romain pourrait détecter des trous noirs primordiaux dans l’univers primitif, confirmant potentiellement leur rôle dans l’inflation cosmique et en tant que composants de la matière noire.
Lorsque les astrophysiciens observent le cosmos, ils voient différents types de trous noirs. Ils vont des trous noirs supermassifs gargantuesques avec des milliards de masses solaires aux trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) difficiles à trouver en passant par les trous noirs de masse stellaire plus petits.
Mais il pourrait exister une autre classe de ces objets : les trous noirs primordiaux (PBH) qui se sont formés au tout début de l’Univers. S’ils existent, le télescope spatial romain Nancy Grace devrait être capable de les repérer.
Le concept de cet artiste adopte une approche fantaisiste pour imaginer de petits trous noirs primordiaux. En réalité, de si petits trous noirs auraient du mal à former les disques d’accrétion qui les rendent visibles ici. Crédit: NASACentre de vol spatial Goddard
Formation de trous noirs
Des trous noirs de masse stellaire se forment lorsque des étoiles massives explosent sous forme de supernovae. Les SMBH se développent avec le temps en fusionnant avec d’autres trous noirs. La manière dont les IMBH se forment n’est pas encore claire, mais cela pourrait impliquer des fusions entre des trous noirs de masse stellaire ou de multiples collisions stellaires dans des amas d’étoiles denses.
Les trous noirs primordiaux, s’ils existent, ne disposaient d’aucun de ces mécanismes.
« Si nous les trouvons, cela bouleversera le domaine de la physique théorique. »
— William DeRocco, chercheur postdoctoral, Université de Californie à Santa Cruz.
Vue d’artiste des fusions binaires de trous noirs. Lorsqu’ils fusionnent, ils émettent des ondes gravitationnelles que des observatoires comme LIGO peuvent détecter. Crédit : LIGO/A. Simonnet
Physique théorique et télescope spatial romain
Personne ne sait si les trous noirs primordiaux existent. Ils sont théoriques. Aucun processus physique connu ne peut les former. Mais l’Univers primitif était très différent.
Nouvelle recherche publiée dans Examen physique D montre comment le prochain télescope romain de Nancy Grace pourrait détecter ces objets primordiaux de masse terrestre. Cela s’appelle « Révéler les trous noirs primordiaux de masse terrestre avec le télescope spatial romain Nancy Grace ». L’auteur principal est William DeRocco, chercheur postdoctoral à l’Université de Californie à Santa Cruz.
“La détection d’une population de trous noirs primordiaux de masse terrestre constituerait une étape incroyable à la fois pour l’astronomie et la physique des particules, car ces objets ne peuvent être formés par aucun processus physique connu”, a déclaré l’auteur principal DeRocco. « Si nous les trouvons, cela bouleversera le domaine de la physique théorique. »
Les PBH auraient pu se former lorsque des régions trop denses de l’univers dominé par l’inflation ou les radiations se sont effondrées. Crédit : Gema White
Conditions du premier univers
Dans l’Univers moderne, seules les étoiles ayant au moins huit masses stellaires peuvent devenir des trous noirs. Les étoiles moins massives deviendront des étoiles à neutrons ou des naines blanches. (Le Soleil deviendra un nain blanc.)
Mais les choses étaient différentes au début de l’Univers. Au cours d’une période d’inflation rapide, l’espace s’est étendu plus rapidement que la vitesse de la lumière. Dans ces conditions inhabituelles, des zones denses auraient pu s’effondrer en PBH. L’échelle de ces objets est remarquablement petite. Ils seraient de la taille de la Terre ou plus petits et auraient des horizons d’événements aussi larges qu’une pièce de monnaie.
Les moins massifs d’entre eux auraient disparu par évaporation. C’est ce qu’a compris Stephen Hawking. Mais certains, aussi massifs que la Terre, auraient pu survivre.
Stephen Hawking a eu l’idée de l’évaporation des trous noirs. Il a émis l’hypothèse que les trous noirs rétrécissent lentement à mesure que les radiations s’échappent. La lente évasion de ce que l’on appelle aujourd’hui le rayonnement de Hawking provoquerait, avec le temps, simplement l’évaporation du trou noir. Cette infographie montre les durées de vie estimées et l’horizon des événements – le point au-delà duquel les objets qui tombent ne peuvent pas échapper à l’emprise gravitationnelle d’un trou noir – les diamètres des trous noirs de diverses petites masses. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Le rôle des microlentilles dans la détection des trous noirs
Bien qu’ils soient théoriques, il existe des indices quant à leur présence. Ces indices proviennent des microlentilles gravitationnelles.
Deux efforts ont utilisé la microlentille pour étudier des objets dans l’Univers. L’un d’eux est OGLE, l’expérience de lentille optique gravitationnelle. Un autre est MOA, Microlensing Observations in Astrophysics. OGLE a trouvé 17 objets isolés de masse terrestre dans l’espace.
Ces objets pourraient être des PBH ou des planètes errantes. Malheureusement, il est très difficile de faire une distinction sur une base individuelle. Mais comme la théorie prédit la masse et l’abondance des planètes errantes, elle pourrait permettre au télescope romain de les distinguer des PBH.
La planète OGLE-2012-BLG-0950Lb a été détectée grâce à la microlentille gravitationnelle, un phénomène qui agit comme une loupe de la nature. Crédit : LCO/D. Bennett
“Il n’y a aucun moyen de distinguer les trous noirs terrestres des planètes voyou au cas par cas”, a déclaré DeRocco. « Roman sera extrêmement puissant pour différencier statistiquement les deux. »
Dans leur étude, les auteurs expliquent plus en détail ce phénomène. « Le point clé est que même si les événements PBH et FFP ne peuvent pas être différenciés événement par événement, les deux populations peuvent être distinguées par la distribution statistique de la durée de leurs événements. » Les scientifiques pensent que Roman trouvera 10 fois plus d’objets dans cette plage de masse que les efforts au sol comme OGLE et MOA.
L’impact de la découverte des trous noirs primordiaux
Trouver des trous noirs primordiaux créerait un grand bouleversement.
“Cela affecterait tout, de la formation des galaxies à la teneur en matière noire de l’univers en passant par l’histoire cosmique”, a déclaré Kailash Sahu, astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore. Sahu n’a pas participé à la recherche mais comprend l’impact qu’auraient les résultats. « Confirmer leur identité sera un travail difficile et les astronomes auront besoin de beaucoup d’efforts pour les convaincre, mais cela en vaudrait la peine. »
Si le télescope spatial romain parvient à détecter et à confirmer les trous noirs, cela pourrait constituer un moment déterminant dans l’histoire de l’astronomie. Cette découverte fournirait des preuves solides d’une période d’inflation rapide dans l’univers primitif, une époque qui n’a pas encore été prouvée. Les physiciens pensent qu’il a dû y avoir une période comme celle-ci car elle aide à expliquer bien d’autres choses sur l’univers.
Trous noirs primordiaux et matière noire
Plus intéressant encore, ces trous noirs primordiaux pourraient contenir un pourcentage de matière noire. Un petit pourcentage, mais une amélioration considérable par rapport à notre compréhension actuelle de ce qu’est la matière noire. Les scientifiques continuent de rechercher des éléments tels que les WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) et d’autres particules qui pourraient être de la matière noire, mais ils ne les trouvent jamais.
« La nature de la matière noire reste l’une des questions les plus urgentes en physique fondamentale. Bien que de nombreuses preuves irréfutables indiquent son existence, sa nature microphysique reste inconnue », expliquent les auteurs.
Ce qui est élégant avec Roman et PBH, c’est qu’il ne faudra aucun effort particulier pour les trouver. Roman cherche déjà des planètes. “L’enquête dans le domaine temporel du renflement galactique de Roman devrait observer des centaines d’événements de microlentilles de faible masse, permettant une caractérisation statistique robuste de cette population”, écrivent les auteurs dans leur article.
Le télescope spatial romain Nancy Grace est un observatoire de la NASA conçu pour percer les secrets de l’énergie noire et de la matière noire, rechercher et imager des exoplanètes et explorer de nombreux sujets en astrophysique infrarouge. Crédit : NASA
La mission plus large du télescope spatial Roman
Chaque télescope spatial que nous lançons est une nouvelle fenêtre sur un aspect de l’Univers. Le télescope spatial Nancy Grace Roman le fera certainement. « Bien que son étude du domaine temporel du renflement galactique cible à la fois les exoplanètes liées et non liées, nous avons montré qu’il aura également une sensibilité sans précédent à la physique au-delà du modèle standard », écrivent DeRocco et ses co-chercheurs dans leur article. C’est parce qu’il peut « sonder la fraction de matière noire composée de trous noirs primordiaux », écrivent-ils.
“C’est un exemple passionnant de quelque chose que d’autres scientifiques pourraient faire avec les données que Roman va déjà obtenir dans sa recherche de planètes”, a déclaré Sahu. « Et les résultats sont intéressants, que les scientifiques trouvent ou non des preuves de l’existence de trous noirs de masse terrestre. Quoi qu’il en soit, cela renforcerait notre compréhension de l’univers.
Et qui ne souhaite pas une meilleure compréhension de l’Univers ?
Adapté d’un article initialement publié sur Universe Today.
