Les trous noirs exotiques pourraient être un sous-produit de la matière noire | Dmshaulers

Les trous noirs exotiques pourraient être un sous-produit de la matière noire

Crédit : image générée par l’IA

Pour chaque kilogramme de matière que nous pouvons voir – depuis l’ordinateur sur votre bureau jusqu’aux étoiles et galaxies lointaines – il y a 5 kilogrammes de matière invisible qui imprègnent notre environnement. Cette « matière noire » est une entité mystérieuse qui échappe à toute forme d’observation directe, mais qui fait sentir sa présence par son influence invisible sur les objets visibles.

Il y a cinquante ans, le physicien Stephen Hawking proposait une idée de ce que pourrait être la matière noire : une population de trous noirs qui auraient pu se former très peu de temps après le Big Bang.

De tels trous noirs « primordiaux » n’auraient pas été les goliaths que nous détectons aujourd’hui, mais plutôt des régions microscopiques de matière ultradense qui se seraient formées dans le premier quintillionième de seconde après le Big Bang, puis se seraient effondrées et se seraient propagées à travers le cosmos et se seraient éternisées. entourant l’espace-temps d’une manière qui pourrait expliquer la matière noire que nous connaissons aujourd’hui.

Les physiciens du MIT ont découvert que ce processus primordial aurait également produit des compagnons inattendus : des trous noirs encore plus petits, dotés d’une quantité sans précédent d’une propriété physique nucléaire connue sous le nom de « charge de couleur ».

Ces plus petits trous noirs « suralimentés » auraient constitué un état entièrement nouveau de la matière, qui s’est probablement évaporé une fraction de seconde après leur apparition. Pourtant, ils auraient pu encore affecter une transition cosmologique importante : l’époque où les premiers noyaux atomiques furent forgés.

Les physiciens postulent que les trous noirs chargés pourraient avoir affecté l’équilibre entre les noyaux en fusion, d’une manière que les astronomes découvriront un jour grâce à de futures mesures. Une telle observation indiquerait de manière convaincante que les trous noirs primordiaux sont aujourd’hui la racine de toute la matière noire.

“Bien que ces créatures exotiques à courte durée de vie n’existent pas aujourd’hui, elles auraient pu influencer l’histoire cosmique d’une manière qui pourrait se manifester aujourd’hui par des signaux subtils”, a déclaré David Kaiser, professeur d’histoire des sciences à Germeshausen et professeur de physique au MIT. “Dans l’idée que toute matière noire peut être expliquée par des trous noirs, cela nous donne de nouvelles choses à rechercher.”

Kaiser et sa co-auteure, Elba Alonso-Monsalve, étudiante diplômée du MIT, ont publié leur étude dans la revue Lettres d’examen physique.

Un temps avant les étoiles

Les trous noirs que nous connaissons et découvrons aujourd’hui sont le produit d’un effondrement stellaire, lorsque le centre d’une étoile massive s’effondre sur lui-même, formant une région si dense qu’elle peut plier l’espace-temps, de sorte que tout, même la lumière, soit piégé. dans . De tels trous noirs « astrophysiques » peuvent être de quelques fois plus massifs que le Soleil à plusieurs milliards de fois plus massifs.

Les trous noirs « primordiaux », en revanche, peuvent être beaucoup plus petits et on pense qu’ils se sont formés avant les étoiles. Avant même que l’univers n’ait préparé les éléments de base, sans parler des étoiles, les scientifiques pensent que des poches de matière primordiale ultra-dense auraient pu s’accumuler et s’effondrer pour former des trous noirs microscopiques qui auraient pu être si denses qu’ils ont comprimé la masse d’un astéroïde dans une zone aussi petite qu’un seul atome. La gravité de ces petits objets invisibles dispersés dans tout l’univers pourrait expliquer toute la matière noire que nous ne pouvons pas voir aujourd’hui.

Si oui, de quoi seraient constitués ces trous noirs primordiaux ? Kaiser et Alonso-Monsalve ont abordé cette question dans leur nouvelle étude.

“Les gens ont étudié quelle serait la répartition des masses des trous noirs au cours de cette première production de l’univers, mais n’ont jamais fait de lien avec le type de choses qui seraient tombées dans les trous noirs au moment de leur formation”, explique Kaiser.

Des rhinocéros super chargés

Les physiciens du MIT ont d’abord examiné les théories existantes pour déterminer la répartition probable des masses des trous noirs lors de leur première formation dans l’univers primitif.

“Nous avons réalisé qu’il existe une corrélation directe entre le moment où un trou noir primordial se forme et la masse avec laquelle il se forme”, explique Alonso-Monsalve. “Et cette fenêtre temporelle est absurdement précoce.”

Elle et Kaiser ont calculé que les trous noirs primordiaux devaient s’être formés dans le premier quintillionième de seconde après le Big Bang. Cette explosion de temps aurait produit des trous noirs microscopiques « typiques » aussi massifs qu’un astéroïde et aussi petits qu’un atome. Cela aurait également produit une infime fraction de trous noirs exponentiellement plus petits, avec la masse d’un rhinocéros et une taille bien inférieure à celle d’un seul proton.

De quoi seraient constitués ces trous noirs primordiaux ? Pour cela, ils se sont tournés vers des études explorant la composition de l’univers primitif, et plus particulièrement vers la théorie de la chromodynamique quantique (QCD), l’étude de la manière dont les quarks et les gluons interagissent.

Les quarks et les gluons sont les éléments de base des protons et des neutrons – des particules élémentaires qui se sont combinées pour créer les éléments de base du tableau périodique. Immédiatement après le Big Bang, les physiciens estiment, sur la base de la CDQ, que l’univers était un plasma extrêmement chaud de quarks et de gluons qui se refroidissait ensuite rapidement et se combinait pour produire des protons et des neutrons.

Les chercheurs ont découvert qu’en l’espace d’un quintillionième de seconde, l’univers serait encore une soupe de quarks et de gluons libres qui ne s’étaient pas encore unis. Tous les trous noirs formés pendant cette période auraient avalé les particules non liées ainsi qu’une propriété exotique connue sous le nom de « charge de couleur » – un état de charge que seuls les quarks et les gluons non combinés portent.

“Une fois que nous avons découvert que ces trous noirs se forment dans un plasma de quarks et de gluons, la chose la plus importante que nous devions déterminer était la quantité de charge de couleur contenue dans la goutte de matière qui finirait dans un trou noir primordial ?” dit Alonso-Monsalve.

En utilisant la théorie QCD, ils ont déterminé la répartition de la charge de couleur qui aurait dû exister dans tout le plasma chaud et précoce. Ensuite, ils l’ont comparé à la taille d’une zone qui s’effondrerait pour former un trou noir dans le premier quintillionième de seconde. Il s’avère qu’il n’y aurait pas eu beaucoup de charges de couleur dans la plupart des trous noirs typiques à cette époque, car ils se seraient formés en absorbant un grand nombre de régions possédant un mélange de charges, ce qui aurait finalement abouti à un état « neutre ». ” charge.

Mais les plus petits trous noirs auraient été remplis de charges colorées. En fait, ils auraient contenu la quantité maximale de tout type de charge autorisée pour un trou noir, selon les lois fondamentales de la physique. Alors que de tels trous noirs « extrêmes » font l’objet d’hypothèses depuis des décennies, jusqu’à présent, personne n’avait découvert un processus réaliste par lequel de telles bizarreries auraient pu se former dans notre univers.

Les trous noirs suralimentés se seraient rapidement évaporés, mais peut-être pas avant le moment où les premiers noyaux atomiques ont commencé à se former. Les scientifiques estiment que ce processus a commencé environ une seconde après le Big Bang, ce qui aurait donné aux trous noirs extrêmes tout le temps de perturber les conditions d’équilibre qui auraient prévalu lorsque les premiers noyaux ont commencé à se former. De telles perturbations pourraient potentiellement affecter la formation des premiers noyaux d’une manière qui pourrait un jour être observée.

“Ces objets ont peut-être laissé des empreintes d’observation passionnantes”, estime Alonso-Monsalve. “Ils auraient pu modifier l’équilibre entre ceci et cela, et c’est le genre de chose sur laquelle on commence à s’interroger.”

Plus d’information:
Elba Alonso-Monsalve et al., Trous noirs primordiaux avec charge de couleur QCD, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.231402. journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.132.231402

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology


Cette histoire est republiée avec la permission de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire couvrant l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’éducation du MIT.

Citation: Les trous noirs exotiques pourraient être un sous-produit de la matière noire (6 juin 2024) récupéré le 6 juin 2024 sur

Ce document est soumis au droit d’auteur. Sauf utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif uniquement.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *