Crédit : Institut de physique de Leiden
Qu'est-ce que la matière noire ? Comment se forment les trous noirs supermassifs ? Les trous noirs primordiaux pourraient contenir la réponse à cette question de longue date. Leiden et les cosmologistes chinois ont identifié une nouvelle manière dont ces objets hypothétiques pourraient être produits immédiatement après le Big Bang. Leurs recherches ont été publiées dans Lettres d'examen physique .
Dans leur quête pour comprendre l'univers, les scientifiques sont confrontés à des énigmes majeures non résolues. Par exemple, les étoiles se déplacent autour des galaxies comme s'il y avait cinq fois plus de masse présente que celle observée. Qu'est-ce qui fait que comprend cette matière noire ? Et une autre énigme :les galaxies recèlent d'énormes trous noirs dans leurs noyaux, pesant des millions de masses solaires. Dans les jeunes galaxies, les étoiles effondrées n'ont pas eu assez de temps pour devenir aussi grosses. Comment ces trous noirs dits supermassifs se sont-ils formés ?
Les cosmologues ont proposé une solution hypothétique qui pourrait résoudre l'une des deux énigmes. Trous noirs primordiaux, apparu peu après le Big Bang, ont la capacité de rester minuscules ou de gagner rapidement de la masse. Dans le cas précédent, ils sont candidats à la matière noire. Dans le dernier cas, ils pourraient servir de graines aux trous noirs supermassifs. Le cosmologue Dong-Gang Wang de l'Université de Leiden et ses collègues chinois Yi-Fu Cai, Xi Tong et Sheng-Feng Yan de l'université USTC ont rapporté une nouvelle façon dont les trous noirs primordiaux auraient pu se former à l'époque du Big Bang.
Cette figure montre la fraction de matière noire due aux trous noirs primordiaux (axe vertical), en fonction de leur masse individuelle en masses solaires (axe horizontal). Les zones ombrées sont exclues par les observations astronomiques. L'effet de résonance se manifeste par des pics étroits (lignes pointillées rouges et bleues) qui montrent la distribution de masse des trous noirs primordiaux. Parce que les pics sont étroits, tous les trous noirs primordiaux devraient avoir la même masse. Pour notre Univers, il n'y a qu'un seul vrai pic, en fonction des détails (encore inconnus) du Big Bang. Par exemple, le pic bleu correspond à des trous noirs d'environ 10 à 100 masses solaires, la plage récemment détectée par l'expérience des ondes gravitationnelles LIGO/VIRGO. Crédit : Institut de physique de Leiden
Après le Big Bang, l'univers contenait de petites perturbations de densité causées par des fluctuations quantiques aléatoires. Ceux-ci sont assez grands pour former des étoiles et des galaxies, mais trop petits pour devenir des trous noirs primordiaux à eux seuls. Wang et ses collaborateurs ont identifié un nouvel effet de résonance qui rend possible les trous noirs primordiaux en augmentant sélectivement certaines perturbations. Cela conduit à la prédiction que tous les trous noirs primordiaux devraient avoir approximativement la même masse. Les pics étroits de la figure 1 montrent une gamme de masses possibles en conséquence de la résonance.
Modèle viable
"D'autres calculs ont différentes manières d'améliorer les perturbations, mais rencontre des problèmes, " dit Wang. " Nous utilisons la résonance pendant le gonflage, lorsque l'univers a grandi de façon exponentielle peu de temps après le Big Bang. Nos calculs sont assez simples pour que nous puissions travailler avec. En réalité, le mécanisme pourrait être plus compliqué, Mais c'est un début. Les pics étroits que nous obtenons sont inhérents au mécanisme, parce qu'il utilise la résonance."
