La théorie selon laquelle des trous noirs primordiaux entrent en collision avec des étoiles à neutrons pour créer des éléments lourds explique le manque d'étoiles à neutrons au centre de la Voie lactée, un mystère de longue date. Crédit :Université de Californie, Los Angeles
Les physiciens de l'UCLA ont proposé de nouvelles théories sur la formation des premiers trous noirs de l'univers et le rôle qu'ils pourraient jouer dans la production d'éléments lourds tels que l'or, platine et uranium.
Deux articles sur leurs travaux ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique .
Une question de longue date en astrophysique est de savoir si les tout premiers trous noirs de l'univers sont apparus moins d'une seconde après le Big Bang ou s'ils se sont formés seulement des millions d'années plus tard lors de la mort des premières étoiles.
Alexandre Kussenko, un professeur de physique à l'UCLA, et Eric Cotner, un étudiant diplômé de l'UCLA, a développé une nouvelle théorie d'une simplicité convaincante suggérant que les trous noirs auraient pu se former très peu de temps après le Big Bang, bien avant que les étoiles ne commencent à briller. Les astronomes ont précédemment suggéré que ces trous noirs primordiaux pourraient expliquer tout ou partie de la mystérieuse matière noire de l'univers et qu'ils pourraient avoir semé la formation de trous noirs supermassifs qui existent au centre des galaxies. La nouvelle théorie propose que les trous noirs primordiaux pourraient aider à créer de nombreux éléments plus lourds que l'on trouve dans la nature.
Les chercheurs ont commencé par considérer qu'un champ d'énergie uniforme a envahi l'univers peu après le Big Bang. Les scientifiques s'attendent à ce que de tels champs existaient dans un passé lointain. Après l'expansion rapide de l'univers, ce champ d'énergie se serait séparé en touffes. La gravité ferait en sorte que ces touffes s'attirent les unes les autres et fusionnent. Les chercheurs de l'UCLA ont proposé qu'une petite fraction de ces touffes en croissance soit devenue suffisamment dense pour devenir des trous noirs.
Leur hypothèse est assez générique, Kussenko a dit, et cela ne repose pas sur ce qu'il a appelé les "coïncidences improbables" qui sous-tendent d'autres théories expliquant les trous noirs primordiaux.
L'article suggère qu'il est possible de rechercher ces trous noirs primordiaux en utilisant des observations astronomiques. Une méthode consiste à mesurer les très infimes changements dans la luminosité d'une étoile qui résultent des effets gravitationnels d'un trou noir primordial passant entre la Terre et cette étoile. Plus tôt cette année, Des astronomes américains et japonais ont publié un article sur leur découverte d'une étoile dans une galaxie voisine qui s'est éclairée et s'est estompée exactement comme si un trou noir primordial passait devant elle.
Un trou noir capturé par une étoile à neutrons. Crédit :Alexander Kusenko/UCLA
Dans une étude distincte, Kussenko, Volodymyr Takhistov, un chercheur postdoctoral UCLA, et George Fuller, professeur à l'UC San Diego, a proposé que les trous noirs primordiaux pourraient jouer un rôle important dans la formation d'éléments lourds tels que l'or, argent, platine et uranium, qui pourrait être en cours dans notre galaxie et d'autres.
L'origine de ces éléments lourds a longtemps été un mystère pour les chercheurs.
"Les scientifiques savent que ces éléments lourds existent, mais ils ne savent pas où ces éléments se forment, " a déclaré Kusenko. "Cela a été vraiment embarrassant."
La recherche de l'UCLA suggère qu'un trou noir primordial entre occasionnellement en collision avec une étoile à neutrons - la taille d'une ville, reste en rotation d'une étoile qui reste après quelques explosions de supernova et s'enfonce dans ses profondeurs.
Quand cela arrive, Kussenko a dit, le trou noir primordial consomme l'étoile à neutrons de l'intérieur, un processus qui prend environ 10, 000 ans. Alors que l'étoile à neutrons rétrécit, ça tourne encore plus vite, provoquant éventuellement le détachement et l'envol de petits fragments. Ces fragments de matériau riche en neutrons peuvent être les sites dans lesquels les neutrons fusionnent en éléments de plus en plus lourds, dit Kussenko.
Cependant, la probabilité qu'une étoile à neutrons capture un trou noir est plutôt faible, dit Kussenko, ce qui est cohérent avec les observations de seulement certaines galaxies étant enrichies en éléments lourds. La théorie selon laquelle les trous noirs primordiaux entrent en collision avec des étoiles à neutrons pour créer des éléments lourds explique également le manque observé d'étoiles à neutrons au centre de la Voie lactée, un mystère de longue date en astrophysique.
Cet hiver, Kusenko et ses collègues collaboreront avec des scientifiques de l'Université de Princeton sur des simulations informatiques des éléments lourds produits par une interaction étoile à neutrons-trou noir. En comparant les résultats de ces simulations avec des observations d'éléments lourds dans les galaxies proches, les chercheurs espèrent déterminer si les trous noirs primordiaux sont en effet responsables de l'or de la Terre, platine et uranium.
