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Les trous noirs primordiaux sont-ils vraiment des gravitinos géants?

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr Voix d’experts: opinions et idées.

Les astronomes ne comprennent pas les origines du plus grand trous noirs dans l’univers. Ces trous noirs apparaissent si tôt dans les archives cosmologiques que nous devrons peut-être invoquer une nouvelle physique pour expliquer leur apparition.

Une nouvelle recherche propose une histoire d’origine intrigante: les premiers trous noirs ne sont pas venus d’étoiles mais d’amas de particules super-exotiques et super-hypothétiques appelées gravitinos qui ont réussi à survivre aux premières années chaotiques de le Big Bang.

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Un peu trop super

Il y a des trous noirs, puis il y a de gros trous noirs. Les plus grands trous noirs de l’univers, nommés à juste titre «trous noirs supermassifs» (SMBH), se trouvent au centre de presque toutes les galaxies du cosmos. Même le voie Lactée en a un, un monstre à 4 millions de masses solaires, désigné comme Sagittaire A *.

Les trous noirs géants dans l’univers moderne sont un spectacle vraiment merveilleux à voir, mais au cours de la dernière décennie, les astronomes ont révélé l’existence de trous noirs supermassifs à l’aube même des étoiles et galaxies, alors que l’univers n’avait même pas encore un milliard d’années.

C’est bizarre.

C’est bizarre car à notre connaissance, la seule façon de former des trous noirs est la mort d’étoiles massives. Quand ils meurent, ils laissent derrière eux un trou noir quelques fois plus massif que le soleil. Pour atteindre le statut de supergéante, ils doivent fusionner avec d’autres trous noirs et / ou consommer autant de gaz que possible, gonflant tous ces millions de masses solaires.

Et cela prend du temps. Beaucoup de temps.

Dans l’univers primitif, les étoiles elles-mêmes ont mis des centaines de millions d’années à apparaître pour la première fois. Et pour autant que nous puissions en juger, juste à côté de cette première génération d’étoiles et de galaxies se trouvaient trous noirs supermassifs. Il ne semble pas qu’il y ait eu assez de temps pour que ces trous noirs géants se forment à travers la route de la mort stellaire habituelle et coutumière, donc quelque chose de louche se passe.

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Soit nous ne comprenons pas quelque chose de fondamental à propos de l’astrophysique de la croissance des trous noirs (ce qui est parfaitement possible), soit les premiers trous noirs géants qui se sont formés à une époque beaucoup plus ancienne, beaucoup plus primordiale. Mais pour que cela se produise, la physique qui a créé ces éventuels premiers trous noirs doit être… bizarre.

Images: Trous noirs de l’univers

Le jumeau de la gravité

Comment bizarre? Eh bien, si étrange que cela va bien, bien au-delà des limites actuelles de la physique connue. Heureusement, les physiciens théoriciens travaillent d’arrache-pied, chaque jour, pour aller bien au-delà des limites actuelles de la physique connue. Un tel exemple est appelé supersymétrie, et c’est une tentative des physiciens à la fois d’expliquer certains des mécanismes internes du monde des particules et de prédire l’existence de toutes nouvelles particules.

En supersymétrie, chaque particule du Modèle standard (le nom donné à notre meilleure compréhension actuelle du domaine subatomique) est associé à un partenaire. La raison de ce jumelage est une symétrie fondamentale trouvée profondément dans les mathématiques qui pourraient décrire la nature. Mais cette symétrie est brisée (par les machinations de certains mécanismes complexes), de sorte que les particules partenaires de la supersymétrie ne flottent pas simplement dans le monde ou ne font pas de grandes entrées dans nos collisionneurs de particules.

Au lieu de cela, en raison de la symétrie brisée, les particules partenaires sont obligées d’avoir des masses incroyables, si élevées qu’elles ne peuvent apparaître que dans les réactions les plus énergétiques de l’univers. Jusqu’à présent, nous n’avons trouvé aucune preuve de particules partenaires de supersymétrie dans nos expériences sur les collisionneurs, mais nous cherchons toujours.

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Pendant que la recherche se poursuit, les théoriciens passent leur temps à jouer avec les différents modèles et possibilités de supersymétrie. Et dans une version, il y a une particule connue sous le nom de gravitino. Le gravitino est la particule partenaire de supersymétrie du graviton, qui est elle-même la particule hypothétique qui porte la force de gravité.

Si vous commencez à vous inquiéter que tout cela semble un peu trop hypothétique, c’est OK. L’existence du gravitino est hautement spéculative et ne repose sur aucune preuve existante. Mais, comme nous le verrons bientôt, certains modèles de gravitino leur confèrent des propriétés très spéciales qui les rendent mûrs pour ensemencer la formation de trous noirs.

Lancer le gant

Si vous voulez faire des trous noirs dans l’univers primitif, vous devez passer quelques défis. Bien avant l’apparition des premières étoiles et galaxies, notre univers était dominé par les radiations: une lumière à haute énergie inondait le cosmos, dirigeant autour de la matière et disant généralement à tout le monde ce qu’il fallait faire.

Si vous voulez créer des trous noirs aléatoires à cette époque dominée par les radiations, vous devez le faire rapidement, car cette époque dans notre univers était extrêmement chaotique. Et une fois que vous formez les trous noirs, vous devez les maintenir en vie. Les trous noirs s’évaporent grâce à un processus de mécanique quantique appelé Rayonnement Hawking, et les petits trous noirs (par exemple, ceux formés par un processus subatomique exotique) peuvent rapidement disparaître avant d’avoir une chance d’atteindre la grandeur, sans parler de la supermassivité.

Entrez le gravitino, ou au moins une version de cette particule hypothétique. Selon un article de recherche récemment publié dans la revue preprint arXiv, l’univers primitif à haute énergie aurait pu avoir les conditions idéales pour peupler l’univers de gravitinos. En raison de leurs propriétés uniques (notamment leur capacité à s’attirer rapidement par gravitation), ils pourraient rapidement former des trous noirs microscopiques.

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Au fil du temps dans l’univers primitif, les trous noirs pourraient devenir suffisamment grands pour se régaler du rayonnement environnant avant de succomber à l’évaporation de Hawking. Une fois les radiations éliminées, elles pourraient être assez grandes pour continuer à collecter de la matière grâce à des processus astrophysiques normaux, fournissant les graines des premiers trous noirs géants.

C’est une longue idée, mais quand il s’agit de l’univers primitif, c’est le meilleur que nous ayons.

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