La semaine des trous noirs bat son plein et pour célébrer, la NASA a expliqué comment son prochain instrument astronomique majeur, le télescope spatial romain Nancy Grace, chassera de minuscules trous noirs remontant au Big Bang.
Quand on pense à trous noirs, nous avons tendance à imaginer de vastes monstres cosmiques comme des trous noirs de masse stellaire dont la masse est des dizaines à des centaines de fois supérieure à celle du soleil. Nous pouvons même imaginer des trous noirs supermassifs dont la masse est des millions (voire des milliards) de fois celle du soleil, assis au cœur des galaxies et dominant leur environnement.
Pourtant, les scientifiques émettent l’hypothèse que l’univers pourrait également être peuplé de trous noirs beaucoup moins massifs, relativement poids plume, avec des masses autour de celle de la Terre. Ces trous noirs pourraient potentiellement avoir des masses aussi faibles que celles d’un gros astéroïde. Les scientifiques suggèrent également que de tels trous noirs existeraient depuis la nuit des temps, il y a environ 13,8 milliards d’années.
Bien nommés « trous noirs primordiaux », ces trous noirs sont restés purement théoriques, mais Roman, dont le lancement est prévu fin 2026, pourrait changer la donne.
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“Détecter une population de trous noirs primordiaux de masse terrestre serait une étape incroyable à la fois pour l’astronomie et la physique des particules, car ces objets ne peuvent être formés par aucun processus physique connu”, a déclaré William DeRocco, chercheur postdoctoral à l’Université de Californie à Santa Cruz. qui a dirigé une équipe étudiant comment Roman pourrait révéler ces anciens petits trous noirs., a déclaré dans un communiqué : “Si nous les trouvons, cela bouleversera le domaine de la physique théorique.”
Lorsqu’il s’agit d’horizons événementiels, la masse compte
Les plus petits trous noirs jamais confirmés sont des trous noirs de masse stellaire, qui sont créés lorsque des étoiles massives manquent de combustible nécessaire à la fusion nucléaire dans leur noyau. Une fois cette fusion terminée, ces étoiles s’effondrent sous l’influence de leur propre gravité. En règle générale, la masse minimale dont une étoile a besoin pour laisser derrière elle un trou noir de masse stellaire est huit fois supérieure à celle du soleil – n’importe quelle étoile plus légère, et une étoile finira sa vie en tant qu’étoile à neutrons ou naine blanche fumante.
Cependant, les conditions qui régnaient dans l’univers à ses débuts étaient très différentes de celles de l’époque moderne. Lorsque le cosmos était dans un état chaud, dense et turbulent, il a peut-être permis à des conglomérats de matière beaucoup plus petits de s’effondrer et de donner naissance à des trous noirs.
Tous les trous noirs « commencent » à une limite extérieure appelée « horizon des événements », le point au-delà duquel même la lumière ne peut échapper à leurs influences gravitationnelles. La distance entre un horizon d’événements et la singularité centrale du trou noir, le point infiniment dense où toutes les lois de la physique s’effondrent, est déterminée par la masse du trou noir.
Cela signifie que, alors que l’horizon des événements du trou noir supermassif M87*, qui a une masse d’environ 2,4 milliards de fois celle du soleil, a un diamètre d’environ 15,4 milliards de milles (24,8 milliards de kilomètres), un trou noir de masse stellaire avec la masse de 30 soleils aurait un horizon d’événements d’environ 110 miles de large (177 kilomètres de large). En revanche, un trou noir primordial de masse terrestre aurait un horizon d’événements pas plus large qu’un centime. Un trou noir primordial ayant la masse d’un astéroïde aurait un horizon des événements d’une largeur plus petit qu’un proton.
Les scientifiques qui soutiennent le concept de trous noirs primordiaux pensent qu’ils seraient nés lorsque l’univers a subi une phase d’inflation initiale que nous avons appelée le Big Bang. Alors que le cosmos s’est envolé à une vitesse supérieure à celle de la lumière (cela est possible car même si rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans l’espace, l’espace lui-même le peut), les scientifiques suggèrent que des régions plus denses que leur environnement auraient pu s’effondrer pour donner naissance à des trous noirs de faible masse.
Cependant, de nombreux chercheurs ne soutiennent pas le concept de trous noirs primordiaux existant dans l’univers actuel, et cela est dû à Stephen Hawking.
Les trous noirs meurent-ils ?
L’une des théories les plus révolutionnaires de Stephen Hawking suggérait que même les trous noirs ne pouvaient pas durer éternellement. Le grand physicien pensait que les trous noirs « laissent échapper » une forme de rayonnement thermique, un concept nommé plus tard « rayonnement de Hawking » en son honneur.
Lorsque les trous noirs fuient le rayonnement Hawking, ils perdent de la masse et finissent par exploser. Plus la masse d’un trou noir est petite, plus il devrait échapper rapidement au rayonnement de Hawking. Cela signifie que, pour les trous noirs supermassifs, ce processus prendrait plus de temps que la durée de vie de l’univers. Mais les minuscules trous noirs fuiraient beaucoup plus rapidement et devraient donc mourir beaucoup plus rapidement.
C’est donc un défi d’expliquer comment des trous noirs primordiaux auraient pu persister pendant 13,8 milliards d’années sans faire « pouf ». Si Roman parvenait à découvrir ces fossiles cosmiques, cela constituerait une refonte majeure de nombreux principes de la physique.
“Cela affecterait tout, de la formation des galaxies au contenu de matière noire de l’univers en passant par l’histoire cosmique”, a déclaré Kailash Sahu, un astronome du Space Telescope Science Institute de Baltimore qui n’a pas participé à l’étude, dans le communiqué. “Confirmer leur identité sera un travail difficile, et les astronomes auront besoin de beaucoup d’efforts pour les convaincre, mais cela en vaudrait la peine.”
Détecter les trous noirs primordiaux ne serait pas non plus une mince affaire. Comme n’importe quel trou noir, ces vides seraient délimités par un horizon des événements et n’émettent ni ne réfléchissent la lumière. Cela signifie que la seule façon de les détecter serait d’utiliser un principe développé par Albert Einstein dans sa théorie de la gravité de 1915 connue sous le nom de relativité générale.
Faire équipe avec Einstein
La relativité générale prédit que tous les objets ayant une masse provoquent une courbure dans le tissu même de l’espace et du temps, unis en une seule entité à quatre dimensions appelée « espace-temps ». Lorsque la lumière provenant d’une source d’arrière-plan traverse la déformation, sa trajectoire est courbe. Plus la lumière passe près d’un objet lentille, plus sa trajectoire est courbée. Cela signifie que la lumière provenant d’un même objet peut arriver à un télescope à des moments différents. C’est ce qu’on appelle la lentille gravitationnelle.
Lorsque l’objet de la lentille est incroyablement massif, comme une galaxie, la source d’arrière-plan peut sembler se déplacer vers une position apparente ou même apparaître à plusieurs endroits dans la même image. Si l’objet lentille est plus petit en masse, comme un trou noir primordial, l’effet lentille est plus petit, mais il peut provoquer un éclaircissement des sources de fond pouvant être détectées. C’est un effet appelé microlentille.
Actuellement, les microlentilles sont utilisées à bon escient pour détecter les planètes voyous ou les mondes qui dérivent à travers la Voie lactée sans étoile mère. Cela a révélé une grande population de voleurs à peu près de la masse terrestre – plus que théorique ; les modèles prédisent, en fait. Avec ce modèle, les scientifiques prédisent que Roman multipliera par dix les détections de voleurs de masse terrestre.
L’abondance de ces objets a conduit à spéculer sur le fait que certains de ces objets de masse terrestre pourraient en réalité être des trous noirs primordiaux. “Il n’y a aucun moyen de distinguer les trous noirs de masse terrestre des planètes voyou au cas par cas”, a déclaré DeRocco. “Roman sera extrêmement puissant pour différencier statistiquement les deux.”
“Il s’agit d’un exemple passionnant de ce que des scientifiques supplémentaires pourraient faire avec les données romaines et qu’ils obtiendront déjà lors de leur recherche de planètes”, a déclaré Sahu. “Et les résultats sont intéressants, que les scientifiques trouvent ou non la preuve de l’existence de trous noirs de masse terrestre. Dans les deux cas, cela renforcerait notre compréhension de l’univers.”
Les recherches de l’équipe ont été publiées en janvier dans la revue Physical Review D.
