C’est encore cette fois-là ! Il est temps de passer à un autre modèle qui résoudra enfin le mystère de la matière noire. Ou pas, mais ça vaut le coup d’essayer. Jusqu’à ce que nous détections directement les particules de matière noire, ou jusqu’à ce qu’un modèle supprime enfin la matière noire de notre boîte à outils astrophysique, le mieux que nous puissions faire est de continuer à chercher des solutions. Ce nouveau travail jette un regard sur la vieille théorie théorique des trous noirs primordiaux, mais il présente quelques rebondissements intéressants.
Les trous noirs primordiaux sont des objets hypothétiques formés dans les premiers instants de l’univers. Selon les modèles, ils se sont formés à partir de microfluctuations de la densité de la matière et de l’espace-temps pour devenir des trous noirs de la taille d’un grain de sable. Bien que nous n’ayons jamais détecté de trous noirs primordiaux, ils possèdent toutes les propriétés nécessaires de la matière noire, comme ne pas émettre de lumière et la capacité de se regrouper autour des galaxies. S’ils existent, ils pourraient expliquer l’essentiel de la matière noire.
L’inconvénient est que la plupart des candidats originaux aux trous noirs ont été exclus par l’observation. Pour expliquer la matière noire, par exemple, il faudrait qu’il y ait tellement de ces signaux gravitationnels qu’ils passeraient souvent devant une étoile depuis notre point d’observation. Cela créerait une éruption de microlentilles que nous devrions observer régulièrement. Plusieurs études du ciel ont recherché un tel événement sans succès, donc la matière noire PBH n’est pas une idée populaire de nos jours.
Ce nouveau travail adopte une approche légèrement différente. Au lieu d’examiner les trous noirs primordiaux typiques, il considère les trous noirs ultralégers. Celles-ci se situent à l’extrémité inférieure des masses possibles et sont si petites que le rayonnement de Hawking entrerait en jeu. Le taux de désintégration de Hawking est inversement proportionnel à la taille d’un trou noir, de sorte que ces trous noirs ultralégers devraient rayonner jusqu’à leur fin de vie sur une courte échelle de temps cosmique. Comme nous ne disposons pas d’un modèle complet de la gravité quantique, nous ne savons pas ce qui arriverait aux trous noirs ultralégers à la fin, et c’est là qu’intervient cet article.
Comme le note l’auteur, il existe essentiellement trois résultats possibles. La première est que le trou noir rayonne complètement. Le trou noir se transformerait en un bref éclair de particules de haute énergie. La seconde est qu’un mécanisme empêche l’évaporation complète et que le trou noir atteigne une sorte d’état d’équilibre. La troisième possibilité est similaire à la seconde, mais dans ce cas, l’état d’équilibre fait disparaître l’horizon des événements, laissant une masse dense exposée connue sous le nom de singularité nue. L’auteur note également que pour ces deux derniers résultats, les objets peuvent avoir une charge électrique nette.
Dans le cas de l’évaporation, la plus grande inconnue serait l’échelle de temps de l’évaporation. Si les PBH étaient initialement petits, ils s’évaporeraient rapidement et augmenteraient l’effet de réchauffement du cosmos primitif. S’ils s’évaporent lentement, nous devrions pouvoir voir leur mort comme un éclair de rayons gamma. Aucun de ces effets n’a été observé, mais il est possible que des détecteurs, tels que le télescope à grande surface de Fermi, puissent en détecter un en flagrant délit.
Pour ces deux dernières possibilités, l’auteur affirme que l’équilibre serait atteint autour de l’échelle de Planck. Les restes seraient de la taille d’un proton, mais avec des masses beaucoup plus élevées. Malheureusement, si ces résidus sont électriquement neutres, ils seraient impossibles à détecter. Ils ne se désintégreraient pas en d’autres particules et ne seraient pas non plus suffisamment gros pour être détectés directement. Cela correspondrait à l’observation mais ne constitue pas un résultat satisfaisant. Le modèle est essentiellement indémontrable. Si les particules ont une charge, nous pourrions alors détecter leur présence dans la prochaine génération de détecteurs de neutrinos.
Le point le plus important de ces travaux est que les trous noirs primordiaux ne sont pas totalement exclus par les observations actuelles. En attendant de meilleures données, ce modèle rejoint la pile théorique de nombreuses autres possibilités.
Référence: Profumo, S.”Trous noirs primordiaux ultralégers“. préimpression arXiv arXiv :2405.00546 (2024).
