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La matière noire pourrait être faite de trous noirs depuis le début des temps

La matière noire, la substance mystérieuse qui exerce une attraction gravitationnelle mais n’émet aucune lumière, pourrait en réalité consister en de vastes concentrations d’anciens trous noirs créés au tout début de l’univers, selon une nouvelle étude.

Cette conclusion vient d’une analyse des ondes gravitationnelles, ou ondulations dans espace-temps, produit par deux collisions distantes entre des trous noirs et étoiles à neutrons.

Les ondulations – étiquetées GW190425 et GW190814 – ont été détectés en 2019 par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) à Washington et en Louisiane, et l’interféromètre Virgo près de Pise, en Italie. Une analyse précédente suggérait que les ondulations étaient produites par des collisions entre des trous noirs compris entre 1,7 et 2,6 fois la masse de notre soleil et soit une étoile à neutrons plus petite, soit un trou noir beaucoup plus grand.

Mais cela ferait de l’un des objets de chaque collision ce que les astrophysiciens appellent un trou noir de masse solaire, avec à peu près la masse du soleil.

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« Les trous noirs de masse solaire sont assez mystérieux, car ils ne sont pas attendus de l’astrophysique conventionnelle », comme les explosions d’étoiles, ou les supernovas, qui écrasent les plus grosses étoiles en trous noirs, explique l’auteur principal de l’étude, Volodymyr Takhistov de l’Université de Californie, Los Angeles, a déclaré à 45Secondes.fr dans un e-mail.

Au lieu de cela, les auteurs proposent dans l’étude, publiée le 16 février dans la revue Lettres d’examen physique, ces trous noirs de masse solaire peuvent être des trous noirs «primordiaux» créés lors du Big Bang. Ou ils se sont peut-être formés plus tard lorsque les étoiles à neutrons ont été transmutées en trous noirs – soit après avoir englouti des trous noirs primordiaux, soit après avoir absorbé certains types de matière noire proposés, la matière mystérieuse qui exerce une attraction gravitationnelle n’interagit pas avec la lumière, a déclaré Takhistov.

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Trous noirs primordiaux

Les trous noirs primordiaux, s’ils existent, ont probablement été créés en grand nombre dans la première seconde du Big Bang il y a environ 13,77 milliards d’années. Ils seraient venus dans toutes les tailles – le le plus petit aurait été microscopique et le plus grand des dizaines de milliers de fois la masse de notre soleil..

Les calculs montrent que le plus petit se serait «évaporé» maintenant, en émettant des particules quantiques par un processus connu sous le nom de rayonnement de Hawking, de sorte que seuls les trous noirs primordiaux avec des masses supérieures à 10 ^ 11 kilogrammes – environ la masse d’un petit astéroïde – existeraient encore aujourd’hui.

S’ils existaient, ces anciens trous noirs pourraient constituer les immenses halos de «matière noire» qui bordent les galaxies, pensent certains astrophysiciens.

Les chercheurs voulaient savoir s’ils pouvaient distinguer les trous noirs primordiaux des trous noirs formés à partir de étoiles à neutrons, les restes scintillants de supernovas laissés derrière lorsque leurs étoiles mères ont explosé après avoir épuisé tout leur hydrogène dans le nucléaire la fusion réactions.

Les astrophysiciens ont calculé que des étoiles plus petites qu’environ cinq fois la masse du soleil s’effondrent pour laisser derrière elles une étoile à neutrons de matière ultra-dense, avec à peu près la masse de notre soleil emballée dans une boule de la taille d’une ville, 45Secondes.fr a rapporté.

Dans cette théorie, la gravité intense de certaines étoiles à neutrons aurait attiré continuellement des particules de matière noire; finalement, leur gravité serait devenue si grande que l’étoile à neutrons et la matière noire se seraient effondrées ensemble dans un trou noir, suggère la nouvelle étude.

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Une alternative proposée par l’étude est qu’une étoile à neutrons aurait pu attirer et fusionner avec un petit trou noir primordial, qui s’est ensuite installé au centre de gravité de l’étoile à neutrons et s’est nourri de la matière environnante jusqu’à ce qu’il ne reste plus que le trou noir.

Ondes gravitationnelles

Takhistov et ses collègues ont estimé que les trous noirs transmutés à partir d’étoiles à neutrons devraient suivre la même distribution de masse des étoiles à neutrons dont ils provenaient, qui dépend de la taille de leurs étoiles mères.

En tenant compte de cela, ils ont examiné les données de la cinquantaine de détections d’ondes gravitationnelles effectuées à ce jour et ont constaté que seulement deux – GW190425 et GW190814 – impliquaient des objets avec les bonnes masses pour être des trous noirs primordiaux, ont écrit les auteurs de l’étude.

La recherche n’est pas concluante: il est toujours possible que ces deux collisions impliquent des étoiles à neutrons des masses détectées, ou des trous noirs transmutés à partir d’étoiles à neutrons de ces tailles. Mais la distribution de masse des étoiles à neutrons supposées exister dans l’univers rend cela improbable, ont écrit les auteurs.

« Notre travail propose un test puissant pour comprendre leur origine et leur relation avec la matière noire », a déclaré Takhistov. «En particulier, ce test démontre que les trous noirs significativement plus lourds qu’environ 1,5 masse solaire sont très peu susceptibles d’être des trous noirs« transmutés »à la suite de perturbations d’étoiles à neutrons.»

Et si tel est le cas, cela laisse entendre que les trous noirs primordiaux pourraient vraiment exister et qu’ils pourraient être une composante de la matière noire, selon l’étude.

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La méthode deviendra plus précise au fur et à mesure que des détections d’ondes gravitationnelles seront effectuées, a déclaré Takhistov: « Le test est de nature statistique, donc la collecte de plus de données permettra une meilleure compréhension. »

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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