Nouvelle contrainte PBH basée sur les données COMPTEL (bleu foncé), projections de la portée de découverte des futurs télescopes à rayons gamma MeV (autres courbes colorées) et contraintes existantes (zones grises ombrées). Crédit :Coogan et al.
Alors que de nombreux physiciens ont prédit l'existence de la matière noire, un type de matière qui n'absorbe pas, réfléchir ou émettre de la lumière, jusqu'à présent, personne n'a pu l'observer expérimentalement ni en déterminer la nature fondamentale. Trous noirs primordiaux légers (PBH), les trous noirs se sont formés dans l'univers primitif, sont parmi les candidats à la matière noire les plus prometteurs. Cependant, l'existence de ces trous noirs n'a pas encore été confirmée.
Des chercheurs de l'Université d'Amsterdam et de l'Université de Californie-Santa Cruz ont récemment mené une étude visant à améliorer les contraintes existantes sur l'espace des paramètres autorisés des PBH en tant que matière noire. Dans leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , ils proposent également une méthode possible qui pourrait être utilisée pour détecter directement le rayonnement de Hawking dans les régions denses de matière noire et potentiellement permettre la découverte de la matière noire PBH.
Le rayonnement de Hawking est le rayonnement thermique que Stephen Hawking a prédit comme étant spontanément émis par les trous noirs. Ce rayonnement est supposé provenir de la conversion des fluctuations du vide quantique en paires de particules, l'un s'échappant du trou noir et l'autre piégé à l'intérieur de son horizon des événements (c'est-à-dire, la limite autour des trous noirs d'où aucune lumière ou rayonnement ne peut s'échapper).
"Les PBH comprenant plus de quelques pour cent de la matière noire devraient avoir une masse comprise entre environ 10 16 grammes et 10 35 grammes, " Adam Coogan, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Sur la plus grande partie de cette gamme, diverses observations les excluent de constituer 100 % de la matière noire. Cependant, il y a un écart notable dans les contraintes :PBH avec des masses autour de celle d'un astéroïde (~10 17 grammes à 10 22 grammes) pourrait encore constituer toute la matière noire."
L'identification de méthodes pour contraindre l'espace de paramètres autorisé des PBH ou détecter le rayonnement de Hawking qui en émane pourrait être une étape importante vers l'observation ou la découverte de la matière noire PBH. Coogan, en collaboration avec ses collègues Logan Morrison et Stefano Profumo, a donc entrepris d'examiner le potentiel des télescopes à rayons gamma MeV en tant qu'outils pour détecter le rayonnement PBH Hawking.
"L'idée principale derrière notre travail était de réfléchir à une manière particulière de rechercher des PBH de masse d'astéroïdes, " a expliqué Coogan. " Les PBH légers devraient émettre un rayonnement Hawking composé d'un mélange de photons et d'autres particules lumineuses, comme les électrons et les pions. Les télescopes peuvent alors rechercher ce rayonnement en observant notre galaxie ou d'autres galaxies. Le but de notre article était de comprendre dans quelle mesure les télescopes à venir seraient capables d'observer ce rayonnement et, par conséquent, quelle quantité de l'espace des paramètres PBH de masse d'astéroïde ils pourraient sonder. »
En essayant d'estimer les masses de PBH que les télescopes émergents pourraient aider à contraindre, Coogan et ses collègues ont découvert que les études précédentes n'avaient pas encore analysé les données collectées par le télescope COMPTEL, un télescope à rayons gamma lancé par la NASA à bord du Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Ces données, cependant, pourrait aider à limiter l'abondance des PBH légèrement en dessous de l'écart de masse d'astéroïdes (c'est-à-dire, en dessous de 10 17 grammes). Alors que des contraintes existent déjà dans cette gamme de masse grâce aux observations du rayonnement de Hawking recueillies par Voyager 1 et le satellite INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), les nouvelles contraintes introduites par les chercheurs se sont avérées les plus fortes à ce jour.
"L'entrée clé pour calculer les contraintes et faire des projections est de calculer le spectre du rayonnement de Hawking produit par un seul PBH, " a déclaré Coogan. "Nous avons affiné ce calcul par rapport aux outils existants dans la littérature en améliorant la façon dont le rayonnement produit par les électrons et les pions est pris en compte dans le spectre. Le reste des calculs est assez typique pour les recherches de matière noire."
En supposant que les PBH d'une masse spécifique constituent une fraction donnée de la matière noire totale dans l'espace, les calculs effectués par Coogan et ses collègues permettraient aux chercheurs de calculer leur contribution au spectre de photons émis par un objet astrophysique censé contenir une quantité substantielle de matière noire, comme le centre de la Voie lactée. Si le spectre estimé par ces calculs était bien plus lumineux que le spectre observé, par exemple, on pourrait exclure la possibilité que les PBH de cette masse spécifique constituent une fraction spécifique de la matière noire.
" Faire des projections pour les performances des futurs télescopes suit des lignes similaires, bien qu'il n'y ait pas de spectre observé à comparer, " expliqua Coogan. " Dans ce cas, le spectre des photons émis par les PBH est comparé à un modèle pour le fond astrophysique attendu des photons."
La récente étude de Coogan, Morrison et Profumo ont défini les contraintes les plus fortes sur les PBH de faible masse à ce jour, en utilisant les données recueillies dans le cadre d'une expérience qui a été achevée il y a 20 ans. En outre, les chercheurs ont montré que les prochains télescopes capables d'observer les rayons gamma d'énergie MeV pourraient aider à sonder les PBH de masse d'astéroïdes, qui est une partie très difficile de l'espace des paramètres PBH à sonder.
"La communauté de l'astronomie a examiné plusieurs propositions pour de tels télescopes ces dernières années et je pense que notre article fournit une autre motivation solide pour les construire, " Coogan a ajouté. " Mis à part les PBH, nous avons étudié comment les prochains télescopes à rayons gamma MeV pourraient sonder différents modèles de particules de matière noire. Nous avons récemment terminé un autre article dans lequel nous avons calculé les spectres de rayons gamma pour quelques modèles particuliers de ce type et travaillons avec d'autres collaborateurs pour affiner ces calculs."
Coogan, Morrison et Profumo ont récemment collaboré avec Alexander Moiseev, un chercheur scientifique à la NASA, qui développe un télescope appelé Galactic Explorer avec un télescope Compton à masque codé (GECCO). Avec Moiseev, ils ont essayé de définir des moyens par lesquels GECCO pourrait aider à la recherche de matière noire.
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