Figure 1 :La Voie lactée (à gauche) et la galaxie d'Andromède (à droite) sont séparées de 2,6 millions d'années-lumière. Par rapport aux zones où les étoiles sont regroupées, on pense que la matière noire est répartie sur un volume beaucoup plus grand. Crédit :Kavli IPMU
Une équipe internationale de chercheurs a mis une théorie spéculée par le regretté Stephen Hawking à son test le plus rigoureux à ce jour, et leurs résultats basés sur les observations utilisant le télescope Subaru ont exclu la possibilité que les trous noirs primordiaux plus petits qu'un dixième de millimètre constituent la majeure partie de la matière noire.
Les scientifiques savent que 27 % de la matière de l'Univers est constituée de matière noire. Sa force gravitationnelle empêche les étoiles de notre Voie lactée de s'envoler. Cependant, tente de détecter de telles particules de matière noire à l'aide d'expériences souterraines, ou des expériences d'accélérateur, y compris le plus grand accélérateur du monde, le grand collisionneur de hadrons, ont échoué jusqu'à présent.
Cela a conduit les scientifiques à considérer la théorie de Hawking de 1974 sur l'existence de trous noirs primordiaux, né peu après le Big Bang, et sa spéculation selon laquelle ils pourraient constituer une grande partie de la matière noire insaisissable que les scientifiques tentent de découvrir aujourd'hui.
Une équipe internationale de chercheurs, dirigé par le chercheur principal de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers, Masahiro Takada, Doctorante Hiroko Niikura, Professeur Naoki Yasuda, et y compris des chercheurs du Japon, l'Inde et les États-Unis, ont utilisé l'effet de lentille gravitationnelle pour rechercher des trous noirs primordiaux entre la Terre et la galaxie d'Andromède. Lentille gravitationnelle, un effet suggéré pour la première fois par Albert Einstein, se manifeste par la courbure des rayons lumineux provenant d'un objet distant tel qu'une étoile en raison de l'effet gravitationnel d'un objet massif intermédiaire tel qu'un trou noir primordial. Dans des cas extrêmes, une telle courbure de la lumière fait apparaître l'étoile d'arrière-plan beaucoup plus lumineuse qu'elle ne l'est à l'origine.
Figure 2 :Alors que le télescope Subaru sur Terre regarde la galaxie d'Andromède, une étoile d'Andromède deviendra nettement plus brillante si un trou noir primordial passe devant l'étoile. Alors que le trou noir primordial continue de se désaligner, l'étoile deviendra également plus faible (reviendra à sa luminosité d'origine). Crédit :Kavli IPMU
Cependant, les effets de lentille gravitationnelle sont des événements très rares car il faut une étoile dans la galaxie d'Andromède, un trou noir primordial faisant office de lentille gravitationnelle, et un observateur sur Terre pour être exactement alignés les uns avec les autres. Alors pour maximiser les chances de capturer un événement, les chercheurs ont utilisé l'Hyper Suprime-Cam sur le télescope Subaru, qui peut capturer l'image entière de la galaxie d'Andromède en un seul coup. Compte tenu de la vitesse à laquelle les trous noirs primordiaux devraient se déplacer dans l'espace interstellaire, l'équipe a pris plusieurs images pour pouvoir capter le scintillement d'une étoile alors qu'elle s'éclaircit pendant une période de quelques minutes à quelques heures en raison de la lentille gravitationnelle.
Figure 3 :Données de l'étoile qui présentaient des caractéristiques de grossissement par une lentille gravitationnelle potentielle, peut-être par un trou noir primordial. Environ 4 heures après le début de la prise de données sur le télescope Subaru, une étoile a commencé à briller plus fort. Moins d'une heure plus tard, l'étoile a atteint un pic de luminosité avant de devenir plus faible. Crédit :Niikura et al.
À partir de 190 images consécutives de la galaxie d'Andromède prises pendant sept heures au cours d'une nuit claire, l'équipe a parcouru les données pour détecter d'éventuels événements de lentille gravitationnelle. Si la matière noire est constituée de trous noirs primordiaux d'une masse donnée, dans ce cas des masses plus légères que la lune, les chercheurs s'attendaient à trouver environ 1000 événements. Mais après des analyses minutieuses, ils n'ont pu identifier qu'un seul cas. Les résultats de l'équipe ont montré que les trous noirs primordiaux ne peuvent pas contribuer à plus de 0,1% de toute la masse de matière noire. Par conséquent, il est peu probable que la théorie soit vraie./p>
Les chercheurs prévoient maintenant de développer davantage leur analyse de la galaxie d'Andromède. Une nouvelle théorie qu'ils étudieront est de découvrir si les trous noirs binaires découverts par le détecteur d'ondes gravitationnelles LIGO sont en fait des trous noirs primordiaux.
Figure 4 :Contraintes sur la fraction massique des trous noirs primordiaux par rapport à la matière noire dans la Voie lactée et la galaxie d'Andromède en fonction de la masse des trous noirs primordiaux. Les régions ombrées montrent les régions exclues où l'existence de tels trous noirs primordiaux ne correspond pas aux diverses données d'observation. La couleur rouge indique la zone où cette étude a contribué à l'étude des trous noirs primordiaux. HSC/Subaru d'une nuit donne les contraintes les plus strictes pour les trous noirs primordiaux avec des masses plus légères que la masse de la lune, par exemple. par rapport aux données de la NASA Kepler sur 2 ans. Crédit :Niikura et al.
Ces résultats ont été publiés le 1er avril 2019 en Astronomie de la nature .
