[À gauche] Un petit trou noir primordial capturé par une étoile à neutrons, le dévorant par la suite et laissant derrière lui un reste de trou noir de masse solaire "transmuté". [Droite] Distribution de masse attendue des trous noirs de masse solaire "transmutés" à la suite d'étoiles à neutrons formées à la suite d'une supernova retardée ou rapide. L'événement LIGO GW190814 avec un candidat trou noir de masse solaire de 2,6 est également affiché. Crédit :Takhistov et. Al.
Quelle est l'origine des trous noirs et comment cette question est-elle liée à un autre mystère, la nature de la matière noire ? La matière noire comprend la majorité de la matière dans l'Univers, mais sa nature reste inconnue.
De multiples détections d'ondes gravitationnelles de fusion de trous noirs ont été identifiées au cours des dernières années par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), commémoré avec le prix Nobel de physique 2017 à Kip Thorne, Barry Barish, et Rainer Weiss. Une confirmation définitive de l'existence des trous noirs a été célébrée avec le prix Nobel de physique 2020 décerné à Andrea Ghez, Reinhard Genzel et Roger Penrose. Comprendre l'origine des trous noirs est ainsi devenu un enjeu central en physique.
Étonnamment, LIGO a récemment observé un candidat trou noir de masse solaire de 2,6 (événement GW190814, signalé dans Lettres de revues astrophysiques 896 (2020) 2, L44). En supposant qu'il s'agisse d'un trou noir, et pas une étoile à neutrons exceptionnellement massive, d'où est ce que ça vient?
Les trous noirs de masse solaire sont particulièrement intrigants, car ils ne sont pas attendus de l'astrophysique conventionnelle de l'évolution stellaire. De tels trous noirs pourraient apparaître dans l'Univers primitif (trous noirs primordiaux) ou être "transmutés" à partir d'étoiles à neutrons existantes. Certains trous noirs pourraient s'être formés dans l'univers primitif bien avant la formation des étoiles et des galaxies. De tels trous noirs primordiaux pourraient constituer une partie ou la totalité de la matière noire. Si une étoile à neutrons capture un trou noir primordial, le trou noir consomme l'étoile à neutrons de l'intérieur, le transformer en un trou noir de masse solaire. Ce processus peut produire une population de trous noirs de masse solaire, quelle que soit la taille des trous noirs primordiaux. D'autres formes de matière noire peuvent s'accumuler à l'intérieur d'une étoile à neutrons, provoquant son effondrement éventuel dans un trou noir de masse solaire.
Une nouvelle étude, Publié dans Lettres d'examen physique , avance un test décisif pour enquêter sur l'origine des trous noirs de masse solaire. Ce travail a été dirigé par le Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Fellow Volodymyr Takhistov et l'équipe internationale comprenait George M. Fuller, Professeur émérite de physique et directeur du Center for Astrophysics and Space Science de l'Université de Californie, San Diego, ainsi qu'Alexandre Kusenko, Professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Californie, Los Angeles et un scientifique principal invité Kavli IPMU.
Comme le montre l'étude (voir Fig. 1), Les trous noirs de masse solaire "transmutés" restant des étoiles à neutrons dévorées par la matière noire (soit de minuscules trous noirs primordiaux soit une accumulation de matière noire de particules) devraient suivre la distribution de masse des étoiles à neutrons hôtes d'origine. Étant donné que la distribution de masse des étoiles à neutrons devrait culminer autour de 1,5 masse solaire, il est peu probable que des trous noirs de masse solaire plus lourds soient issus de l'interaction de la matière noire avec les étoiles à neutrons. Cela suggère que des événements tels que le candidat détecté par LIGO, s'ils constituent bien des trous noirs, pourrait être d'origine primordiale depuis le début de l'Univers et ainsi affecter considérablement notre compréhension de l'astronomie. Les observations futures utiliseront ce test pour étudier et identifier l'origine des trous noirs.
Auparavant (voir Fuller, Kussenko, Takhistov Lettres d'examen physique 119 (2017) 6, 061101), la même équipe internationale de chercheurs a également démontré que la perturbation des étoiles à neutrons par de petits trous noirs primordiaux peut conduire à une riche variété de signatures d'observation et peut nous aider à comprendre des énigmes astronomiques de longue date comme l'origine des éléments lourds (par exemple l'or et l'uranium) et l'excès de rayons gamma de 511 keV observé depuis le centre de notre Galaxie.
