La galaxie d'Andromède est la galaxie voisine la plus proche de la Voie lactée, à 2,5 millions d'années-lumière. Crédit :Projet HSC / NAOJ
La théorie selon laquelle la matière noire pourrait être constituée de trous noirs primordiaux d'une fraction de millimètre a été écartée par une équipe de chercheurs dirigée par l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU).
En 1974, Le physicien Stephen Hawking a décrit comment des trous noirs primordiaux ont pu se former en une fraction de seconde après le Big Bang. Les trous noirs primordiaux pourraient avoir des masses allant d'un minuscule point à 100, 000 fois notre soleil. En revanche, les trous noirs supermassifs détectés par les observations astronomiques ont commencé à se former au moins des centaines de milliers d'années plus tard, et sont des millions ou des milliards de fois plus gros que notre soleil. Puisque les trous noirs primordiaux de toute taille n'ont pas été détectés, ils ont été un candidat intrigant pour la matière noire insaisissable.
Pour autant que nous le sachions actuellement, la matière baryonique ne représente que 5% de toute la matière de l'univers. Le reste est soit de la matière noire (27 %), soit de l'énergie noire (68 %), les deux n'ont pas encore été physiquement détectés. Mais les chercheurs sont convaincus que la matière noire existe parce que nous pouvons voir son effet sur notre univers. Sans la force gravitationnelle de la matière noire, les étoiles de notre Voie Lactée s'envoleraient.
Pour tester la théorie selon laquelle les trous noirs primordiaux, spécifiquement ceux sur la masse de la lune ou moins, pourrait être de la matière noire, Les chercheurs de Kavli IPMU Masahiro Takada, Naoki Yasuda, Hiroko Niikura et ses collaborateurs du Japon, L'Inde et les États-Unis ont recherché ces minuscules trous noirs entre la Terre et la galaxie d'Andromède, galaxie voisine la plus proche de la Voie lactée, à 2,5 millions d'années-lumière.
Les données de l'étoile qui ont montré des caractéristiques d'être agrandies 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. (De gauche à droite) l'image originale, l'image éclaircie, l'image différentielle et l'image résiduelle. Niikura et al.
"Ce qui m'a intéressé par ce projet, c'est l'impact énorme qu'il aurait sur la découverte de la nature de la matière noire, " dit Niikura. " Découvrir des trous noirs primordiaux serait un exploit historique. Même un résultat négatif serait une information précieuse pour les chercheurs reconstituant le scénario de la façon dont l'univers a commencé."
A la recherche de trous noirs, l'équipe a utilisé l'effet de lentille gravitationnelle. Les lentilles gravitationnelles ont été expliquées pour la première fois par Albert Einstein, qui a dit qu'il était possible pour une image d'un objet éloigné, comme une étoile, se déformer en raison de l'effet gravitationnel d'un objet massif entre l'étoile et la Terre. La gravité de l'objet massif pourrait agir comme une loupe, courber la lumière de l'étoile et la faire apparaître plus brillante ou déformée pour les observateurs humains sur Terre.
Parce qu'une étoile, un trou noir et la Terre se déplacent constamment dans l'espace interstellaire, une étoile deviendrait progressivement plus brillante, puis gradateur pour les observateurs sur Terre, lorsqu'il se déplace sur la trajectoire d'une lentille gravitationnelle. Les chercheurs ont donc capturé 190 images consécutives de l'ensemble de la galaxie d'Andromède, grâce à l'appareil photo numérique Hyper Suprime-Cam du télescope Subaru à Hawaï. Si la matière noire est constituée de trous noirs primordiaux et, dans ce cas, plus clair que la lune, les chercheurs s'attendaient à trouver 1, 000 microlentilles gravitationnelles. Ils ont calculé cette estimation en supposant que la matière noire dans le halo de la galaxie entière est composée de trous noirs primordiaux, et compte tenu du nombre d'étoiles de la galaxie d'Andromède qui pourraient être affectées par un trou noir primordial, et enfin les chances que leur équipement capture un événement gravitationnel de microlentille.
Le télescope a photographié 90 millions d'étoiles. Il a fallu deux ans à l'équipe pour filtrer tous les bruits et événements de lentille non gravitationnels des données. À la fin, ils n'ont pu identifier qu'une seule étoile qui s'est éclaircie puis s'est estompée - suggérant un possible trou noir primordial - ce qui signifie qu'il est peu probable qu'elles constituent toute la matière noire.
Toutefois, Niikura explique qu'il y a encore beaucoup à apprendre sur les trous noirs primordiaux. Les chercheurs n'avaient démystifié la théorie que pour une masse spécifique :des trous noirs avec une masse similaire ou inférieure à celle de la lune. Des études antérieures ont exclu d'autres masses, ou dans quelle mesure ils pourraient expliquer la matière noire. Mais il y a encore une chance que des trous noirs primordiaux de différentes tailles soient là. L'approche analytique développée par l'équipe Kavli pourrait être utilisée dans de futures études sur les trous noirs primordiaux, y compris essayer de déterminer si les trous noirs découverts par le Laser Interferometer Gravitational Wave-Observatory (LIGO) aux États-Unis pourraient en fait être primordiaux.
