Astronomie

Microlentille de trous noirs primordiale

Microlentille de trous noirs primordiale


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Le mouvement d'un PBH trouvé dans le système solaire externe par microlentille pourrait-il être totalement imprévisible et impossible à suivre après sa première détection ?


Chasse aux trous noirs

Nous recherchons des trous noirs dans la Voie lactée à l'aide de lentilles gravitationnelles. Les trous noirs sont l'un des phénomènes les plus exotiques de l'astrophysique et représentent une rupture de la physique fondamentale entre la gravité et la mécanique quantique. La galaxie contient probablement 100 millions de trous noirs de masse stellaire. Le nombre et les statistiques de masse des trous noirs peuvent fournir des contraintes importantes sur l'histoire de la formation des étoiles, la fonction de masse stellaire, la physique des supernovas et la formation des BH, l'équation d'état de la matière nucléaire et l'existence de trous noirs primordiaux. À ce jour, les trous noirs isolés de masse stellaire ont jamais été définitivement détecté et seulement deux douzaines de trous noirs ont mesuré des masses et ndash tous en binaire.

Les événements de microlentille, où la gravité d'un trou noir capte la lumière d'une étoile d'arrière-plan telle qu'observée depuis la Terre, permettent de détecter des trous noirs isolés et de mesurer leur masse. Les événements de lentille de trou noir produisent un grossissement photométrique qui a une longue durée (>3 mois) et une signature astrométrique qui peut être >1 mas. Cependant, la signature astrométrique n'est devenue détectable que récemment grâce aux progrès technologiques de l'imagerie à haute résolution, y compris l'optique adaptative. Seule la combinaison de la photométrie et de l'astrométrie peut être utilisée pour mesurer avec précision la masse de l'objet lentille et déterminer s'il s'agit bien d'un trou noir ou d'un événement aléatoire de lentille au ralenti entre deux étoiles normales.

Nous visons à trouver les premiers trous noirs isolés de masse stellaire et inférieure en détectant la signature astrométrique de la microlentille. Trouver seulement quelques trous noirs réduirait déjà les ordres de grandeur d'incertitude sur le nombre total de trous noirs dans la Galaxie et limiterait les théories de la formation et de l'évolution des trous noirs. Le développement proposé des techniques d'astrométrie, nécessaires à la microlentille astrométrique, jettera également les bases de nouvelles explorations dans de nombreux domaines de l'astrophysique.


Titre : Une recherche par microlentille de trous noirs primordiaux dans l'étude de l'énergie noire

La recherche de la matière noire est actuellement l'un des domaines les plus passionnants de l'astronomie. Un candidat possible pour la matière noire est les trous noirs primordiaux, formés à partir des fluctuations de densité au début de l'univers. Nous recherchons ces trous noirs à travers des événements de microlentille en créant des courbes de lumière à partir d'étoiles dans le Dark Energy Survey (DES). La microlentille se produit lorsqu'un trou noir primordial (lentille) passe devant une étoile d'arrière-plan, éclairant brièvement la sortie de cette étoile. Cet éclaircissement, dû à l'augmentation de l'amplitude, devient détectable. Premièrement, nous devons découper des galaxies dans notre échantillon d'étoiles. Nous varions ensuite les paramètres clés impliqués dans la lentille pour créer des courbes de lumière potentielles, puis les comparons aux courbes de lumière d'événements réels, ainsi que les erreurs de calcul. Nous envoyons ensuite ces courbes pour une analyse plus approfondie afin de déterminer si des événements réels se sont produits. Nous prévoyons de créer 106 courbes de lumière, en raison de la grande quantité de paramètres variés. Si ces trous noirs primordiaux sont de la matière noire, nous espérons éventuellement détecter plusieurs événements en utilisant les courbes de lumière que nous avons créées.


Les trous noirs primordiaux ne donnent probablement pas de punch à la matière noire

Si un trou noir dérive devant une étoile, cela pourrait déclencher un événement de microlentille. Les astronomes ont donc entrepris d'estimer le nombre de trous noirs primordiaux à Andromède [Kavli IPMU]

En utilisant la galaxie d'Andromède comme un énorme détecteur, les astronomes ont tenté de voir l'invisible – réfutant peut-être une hypothèse avancée par le regretté Stephen Hawking il y a 45 ans.

Selon les travaux de Hawking, l'univers devrait être rempli de trous noirs qui se sont formés au début des temps, lorsque l'univers était une soupe chaotique d'énergie juste après le Big Bang. Connus sous le nom de trous noirs « primordiaux », ces objets anciens sont supposés occuper de manière invisible les galaxies modernes, y compris la nôtre, augmentant ainsi leur masse de matière noire.

Ces trous noirs ne sont pas les monstres supermassifs qui se cachent au centre de la plupart des galaxies, ce ne sont même pas des trous noirs de masse stellaire, formés après que les étoiles massives sont devenues des supernova. Les trous noirs primordiaux sont beaucoup plus petits que cela, ayant perdu la majeure partie de leur masse via le rayonnement de Hawking depuis leur formation il y a 13,8 milliards d'années. Ils devraient cependant avoir de puissants effets gravitationnels sur l'espace qui les entoure et, dans une nouvelle recherche publiée la semaine dernière dans la revue Astronomie de la nature, une équipe internationale de chercheurs a exploité ces hypothétiques pouvoirs de déformation spatio-temporelle des trous noirs pour révéler leur présence.

L'effet de la microlentille est au centre de cette étude. Cette méthode astronomique repose sur un objet passant entre nous et une étoile lointaine. Il a été utilisé à bon escient lors de la détection d'exoplanètes lointaines ou de naines brunes voyous errant dans l'espace interstellaire. Si l'un de ces objets dérive directement devant une étoile, son champ gravitationnel peut créer un effet de grossissement qui éclaire brièvement la lumière de l'étoile. Le champ gravitationnel crée une « lentille naturelle » à partir de l'espace-temps lui-même, une prédiction qui découle de la relativité générale d'Einstein.

L'effet de la microlentille gravitationnelle sur une étoile de la galaxie d'Andromède si un trou noir primordial dérive devant [Kavli IPMU]

Il va de soi que même si les trous noirs primordiaux ne génèrent pas eux-mêmes de lumière, si vous regardez la galaxie entière assez longtemps, vous devriez voir beaucoup d'étoiles scintillantes ou d'événements de microlentille causés par l'essaim hypothétique de trous noirs primordiaux. la galaxie devrait contenir. Comptez le nombre d'événements, et vous pouvez prendre un coup statistique du nombre total de trous noirs primordiaux dans une galaxie comme Andromède, fournissant ainsi une estimation de la quantité de matière noire manquante dans l'univers constituée de ces objets.

En utilisant la puissance du télescope Subaru à Hawaï, les chercheurs ont mis cela à l'épreuve, capturant 190 images consécutives d'Andromède pendant sept heures au cours d'une nuit avec l'appareil photo numérique Hyper Suprime-Cam de l'observatoire. Si la théorie de Hawking tenait, le télescope aurait dû enregistrer environ 1 000 événements de microlentille causés par des trous noirs primordiaux d'une masse inférieure à celle de notre lune dérivant devant les étoiles d'Andromède. Hélas, un seul événement de microlentille a été détecté cette nuit-là. À partir de cette seule campagne d'observation, les chercheurs estiment que les trous noirs primordiaux ne représentent pas plus de 0,1 % de la masse totale de matière noire de notre univers.

Bien que cette étude élégante ne réfute pas nécessairement l'existence de trous noirs primordiaux - un seul événement est intéressant, mais pas convaincant - il Est-ce que mettre une clé dans l'idée qu'ils dominent la masse enfouie dans la matière noire. Ainsi, la quête pour comprendre la nature de la matière noire se poursuit et, avec l'aide de cette étude, les astronomes ont maintenant affiné la recherche en supprimant les trous noirs primordiaux de l'équation de la matière noire.


(Je ne peux pas en avoir assez) trous noirs primordiaux

Les récentes détections d'ondes gravitationnelles par LIGO/VIRGO de fusions de trous noirs ont ramené les trous noirs primordiaux (PBH) dans la mêlée en tant que candidat potentiel pour la matière noire. En effet, les trous noirs détectés par LIGO qui étaient quelques dizaines de fois la masse du Soleil pourraient bien avoir été des PBH.

Cependant, encore plus intrigant, il existe une autre fenêtre d'opportunité pour les trous noirs primordiaux avec des masses beaucoup plus faibles pour constituer toute la matière noire. Dans un article d'aujourd'hui, Inomata et al. montrer qu'il est possible de produire suffisamment de PBH avec des masses d'environ (la masse de l'astéroïde Ida) pour en faire un candidat viable pour la matière noire, sans violer les nouvelles contraintes très strictes sur le nombre de PBH autorisés de la Subaru Hyper Suprime-Cam (voir les résultats ici).

Qu'est-ce qu'un trou noir primordial ?

On pense que les trous noirs primordiaux se sont formés au tout début de l'univers, généralement au cours de la première seconde de son existence. Ils sont un candidat populaire pour la matière noire car ils ne nécessitent aucune nouvelle physique au-delà du modèle standard. Une fois la période d'expansion exponentielle connue sous le nom d'inflation terminée (voir cet article sur les astrobites pour une explication), des parcelles de l'univers beaucoup plus denses que la moyenne pourraient s'effondrer gravitationnellement pour former des trous noirs. Des PBH plus petits et plus légers se seraient formés en premier, tandis que des PBH plus gros et plus lourds se seraient formés plus tard. Cependant, comme les PBH s'évaporent via le rayonnement de Hawking, tous les plus légers devraient s'être complètement évaporés maintenant. En fait, seuls les PBH de masses (la masse de la lune Dactyl d'Ida) ou plus pourraient encore exister aujourd'hui.

Que pouvons-nous apprendre d'eux ?

Le nombre et la taille des plaques surdenses capables de former des trous noirs primordiaux dans l'univers primitif dépendent exactement de la manière dont l'inflation s'est produite. Comme il existe de nombreux modèles d'inflation viables qui peuvent être difficiles à distinguer, les trous noirs primordiaux peuvent servir de sonde utile pour les différencier. Ils sont particulièrement pratiques car ils sont beaucoup plus petits que les échelles que le fond cosmique micro-ondes peut contraindre, ils nous permettent donc de zoomer et de voir des détails autrement cachés. Si nous connaissions le nombre de PBH dans l'univers observable, le modèle inflationniste correct posséderait des caractéristiques distinctes en fonction de ce nombre. Inversement, si le modèle inflationniste était entièrement spécifié, nous saurions à combien de PBH s'attendre.

Pour l'instant, le mieux que nous puissions faire est d'imposer des contraintes sur le nombre de PBH qu'il peut y avoir, ce qui peut à son tour aider à écarter les modèles inflationnistes qui pourraient en produire trop.

De nouvelles contraintes et comment les esquiver

De nouvelles contraintes de la Subaru Hyper Suprime-Cam ont imposé des restrictions plus strictes sur le nombre de PBH qu'il peut y avoir dans la plage de masse qui s'étend de la masse de l'astéroïde Ida () à la masse de la Terre (). Le télescope a recherché des effets de microlentille (voir cet astrobite pour une introduction à la microlentille) à partir de PBH passant devant les étoiles de la Voie lactée et de M31. S'il y avait suffisamment de PBH pour constituer toute la matière noire, il aurait dû y avoir de nombreux événements de microlentille. Cependant, ils n'ont trouvé qu'un seul candidat PBH possible que leur analyse n'a pu ni confirmer ni exclure. La comparaison de leur manque de détections avec le nombre attendu d'événements (si les PBH devaient constituer la totalité de la matière noire) signifiait que la contrainte sur le nombre de PBH s'est resserrée jusqu'à 3 ordres de grandeur.

Inomata et al. montrent qu'il est encore possible de produire suffisamment de PBH de masse d'astéroïdes pour constituer la totalité de la matière noire malgré ces nouvelles contraintes illustrées dans la région ombrée en bleu foncé de la figure 1.

Figure 1: Tracé du rapport des PBH à la matière noire par rapport à la masse de PBH. Si pour une masse particulière, les PBH de cette masse constituent la totalité de la matière noire. La zone ombrée en bleu foncé est exclue par les contraintes les plus récentes.

La ligne noire continue de la figure 1 montre le rapport entre les PBH et la matière noire pour un modèle d'inflation particulier connu sous le nom de double inflation. Le nombre de PBH culmine à environ et évite les contraintes d'observation environnantes indiquées par les régions ombrées qui sont exclues.

Si les contraintes d'observation se resserrent davantage, ce modèle devra être ajusté pour que les PBH de masse d'astéroïdes restent un candidat plausible pour la matière noire. En particulier, si les observations pouvaient limiter le rapport entre les PBH et la matière noire à un niveau bien inférieur à 1 sur toutes les plages de masse, nous serons en mesure d'exclure avec succès les PBH comme constituant l'ensemble de la matière noire. Cependant, si les PBH sont directement détectés, ou s'il est confirmé que les fusions de trous noirs détectées par LIGO/VIRGO étaient bien primordiales, il peut encore être possible de confirmer que la matière noire est constituée de trous noirs primordiaux.


Un nouveau regard sur la nature de la matière noire

L'objet à microlentille dans la galaxie au premier plan pourrait être une étoile (comme illustré), un trou noir primordial ou tout autre objet compact. Crédit : NASA/Jason Cowan (Astronomy Technology Center).

La nature de la matière noire qui constitue apparemment 80% de la masse des particules dans l'univers est encore l'un des grands mystères non résolus des sciences actuelles. Le manque de preuves expérimentales, qui pourraient permettre de l'identifier à l'une ou l'autre des nouvelles particules élémentaires prédites par les théoriciens, ainsi que la découverte récente d'ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs (avec des masses environ 30 fois celle du Soleil) par LIGO, l'Observatoire des ondes gravitationnelles interférométriques laser) ont ravivé l'intérêt pour la possibilité que la matière noire puisse prendre la forme de trous noirs primordiaux avec des masses comprises entre 10 et 1000 fois celle du Soleil.

Les trous noirs primordiaux, qui auraient pour origine des fluctuations de haute densité de matière durant les premiers instants de l'Univers, sont en principe très intéressants. Contrairement à ceux qui se forment à partir d'étoiles, dont l'abondance et les masses sont limitées par des modèles de formation et d'évolution stellaires, les trous noirs primordiaux pourraient exister avec une large gamme de masses et d'abondances. On les trouverait dans les halos des galaxies, et la rencontre occasionnelle entre deux d'entre elles ayant des masses 30 fois supérieures à celle du Soleil, suivie d'une fusion ultérieure, aurait pu donner naissance aux ondes gravitationnelles détectées par LIGO.

S'il y avait un nombre appréciable de trous noirs dans les halos des galaxies, certains d'entre eux interceptent la lumière venant vers nous d'un quasar lointain. En raison de leurs forts champs gravitationnels, leur gravité pourrait concentrer les rayons lumineux et provoquer une augmentation de la luminosité apparente du quasar. Cet effet, connu sous le nom de "microlentille gravitationnelle" est d'autant plus important que la masse du trou noir est importante, et la probabilité de le détecter serait d'autant plus grande que la présence de ces trous noirs serait importante. Ainsi, bien que les trous noirs eux-mêmes ne puissent pas être détectés directement, ils seraient détectés par des augmentations de la luminosité des quasars observés.

Dans cette hypothèse, un groupe de scientifiques a utilisé l'effet de microlentille sur les quasars pour estimer le nombre de trous noirs primordiaux de masse intermédiaire dans les galaxies. L'étude, dirigée par le chercheur de l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) et de l'Université de La Laguna (ULL), Evencio Mediavilla Gradolph, montre que les étoiles normales comme le Soleil provoquent les effets de microlentille, excluant ainsi l'existence d'un grande population de trous noirs primordiaux de masse intermédiaire.

À l'aide de simulations informatiques, ils ont comparé l'augmentation de la luminosité, en lumière visible et en rayons X, de 24 quasars distants avec les valeurs prédites par l'effet de microlentille. Ils ont constaté que la force de l'effet est relativement faible, comme on pourrait s'y attendre d'objets dont la masse est comprise entre 0,05 et 0,45 fois celle du Soleil, et bien inférieure à celle des trous noirs de masse intermédiaire. De plus, ils ont estimé que ces microlentilles forment environ 20 % de la masse totale d'une galaxie, ce qui équivaut à la masse attendue dans les étoiles. Ainsi leurs résultats montrent que, avec une forte probabilité, ce sont les étoiles normales et non les trous noirs primordiaux de masse intermédiaire qui sont responsables de la microlentille observée.

"Cette étude implique", explique Evencio Mediavilla, "qu'il n'est pas du tout probable que des trous noirs avec des masses comprises entre 10 et 100 fois la masse du Soleil constituent une fraction significative de la matière noire". Pour cette raison, les trous noirs dont la fusion a été détectée par LIGO ont probablement été formés par l'effondrement d'étoiles, et n'étaient pas des trous noirs primordiaux".

Les astronomes participant à cette recherche incluent Jorge Jiménez-Vicente et José Calderón-Infante (Université de Grenade) et José A. Muñoz Lozano, et Héctor Vives-Arias (Université de Valence).


Trous noirs primordiaux et recherche de la matière noire du multivers

L'Institut Kavli pour la Physique et les Mathématiques de l'Univers (Kavli IPMU) abrite de nombreux projets interdisciplinaires qui bénéficient de la synergie d'un large éventail d'expertises disponibles à l'institut. L'un de ces projets est l'étude des trous noirs qui auraient pu se former dans l'univers primitif, avant la naissance des étoiles et des galaxies.

De tels trous noirs primordiaux (PBH) pourraient représenter tout ou partie de la matière noire, être responsables de certains des signaux d'ondes gravitationnelles observés et ensemencer des trous noirs supermassifs trouvés au centre de notre Galaxie et d'autres galaxies. Ils pourraient également jouer un rôle dans la synthèse d'éléments lourds lorsqu'ils entrent en collision avec des étoiles à neutrons et les détruisent, libérant ainsi une matière riche en neutrons. En particulier, il existe une possibilité passionnante que la mystérieuse matière noire, qui représente la majeure partie de la matière dans l'univers, soit composée de trous noirs primordiaux. Le prix Nobel de physique 2020 a été décerné à un théoricien, Roger Penrose, et à deux astronomes, Reinhard Genzel et Andrea Ghez, pour leurs découvertes qui ont confirmé l'existence des trous noirs. Comme les trous noirs sont connus pour exister dans la nature, ils constituent un candidat très attrayant pour la matière noire.

Les récents progrès de la théorie fondamentale, de l'astrophysique et des observations astronomiques à la recherche de PBH ont été réalisés par une équipe internationale de physiciens des particules, de cosmologistes et d'astronomes, dont les membres de Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada et Volodymyr Takhistov.

Pour en savoir plus sur les trous noirs primordiaux, l'équipe de recherche a examiné l'univers primitif à la recherche d'indices. L'univers primitif était si dense que toute fluctuation de densité positive de plus de 50 % créerait un trou noir. Cependant, les perturbations cosmologiques qui ont semé les galaxies sont connues pour être beaucoup plus petites. Néanmoins, un certain nombre de processus dans l'univers primitif auraient pu créer les bonnes conditions pour la formation des trous noirs.

Une possibilité passionnante est que des trous noirs primordiaux puissent se former à partir des "bébés univers" créés pendant l'inflation, une période d'expansion rapide qui serait responsable de l'ensemencement des structures que nous observons aujourd'hui, telles que les galaxies et les amas de galaxies. Pendant l'inflation, les bébés univers peuvent se ramifier à partir de notre univers. Un petit univers de bébé (ou "fille") finirait par s'effondrer, mais la grande quantité d'énergie libérée dans le petit volume provoque la formation d'un trou noir.

Un destin encore plus particulier attend un univers de bébé plus grand. S'il est plus grand qu'une certaine taille critique, la théorie de la gravité d'Einstein permet au bébé univers d'exister dans un état qui semble différent à un observateur à l'intérieur et à l'extérieur. Un observateur interne le voit comme un univers en expansion, tandis qu'un observateur extérieur (comme nous) le voit comme un trou noir. Dans les deux cas, le grand et le petit bébé univers sont considérés par nous comme des trous noirs primordiaux, qui cachent la structure sous-jacente de multiples univers derrière leurs "horizons d'événements". L'horizon des événements est une limite en dessous de laquelle tout, même la lumière, est piégé et ne peut échapper au trou noir.

Dans leur article, l'équipe a décrit un nouveau scénario pour la formation de PBH et a montré que les trous noirs du scénario "multivers" peuvent être trouvés à l'aide de l'Hyper Suprime-Cam (HSC) du télescope Subaru de 8,2 m, un gigantesque appareil photo numérique. la gestion de laquelle Kavli IPMU a joué un rôle crucial - près du sommet de 4 200 mètres du mont. Mauna Kea à Hawaï. Leur travail est une extension passionnante de la recherche HSC de PBH que Masahiro Takada, chercheur principal à l'IPMU de Kavli, et son équipe poursuivent. L'équipe HSC a récemment signalé des contraintes majeures sur l'existence de PBH à Niikura, Takada et. Al. (Nature Astronomie 3, 524-534 (2019))

Pourquoi le HSC était-il indispensable dans cette recherche ? Le HSC a une capacité unique d'imager l'ensemble de la galaxie d'Andromède toutes les quelques minutes. Si un trou noir traverse la ligne de mire vers l'une des étoiles, la gravité du trou noir courbe les rayons lumineux et fait apparaître l'étoile plus brillante qu'auparavant pendant une courte période de temps. La durée de l'éclaircissement de l'étoile indique aux astronomes la masse du trou noir. Avec les observations HSC, on peut observer simultanément cent millions d'étoiles, jetant un large filet pour les trous noirs primordiaux qui pourraient traverser l'une des lignes de mire.

Les premières observations HSC ont déjà signalé un événement candidat très intrigant cohérent avec un PBH du "multivers", avec une masse de trou noir comparable à la masse de la Lune. Encouragée par ce premier signe et guidée par la nouvelle compréhension théorique, l'équipe mène une nouvelle série d'observations pour étendre la recherche et fournir un test définitif pour savoir si les PBH du scénario multivers peuvent expliquer toute la matière noire.

Détails du papier
Journal : lettres d'examen physique
Titre : Explorer les trous noirs primordiaux du multivers avec des télescopes optiques
Auteurs : Alexander Kusenko (1, 2), Misao Sasaki (2, 3, 4), Sunao Sugiyama (2, 5), Masahiro Takada (2), Volodymyr Takhistov (1,2) et Edoardo Vitagliano (1)

Affiliation de l'auteur :
1. Département de physique et d'astronomie, Université de Californie, Los Angeles, Los Angeles, Californie 90095-1547, États-Unis
2. Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (WPI), UTIAS Université de Tokyo, Kashiwa, Chiba 277-8583, Japon
3. Centre de physique gravitationnelle, Institut Yukawa de physique théorique, Université de Kyoto, Kyoto 606-8502, Japon
4. Centre Leung de cosmologie et d'astrophysique des particules, Université nationale de Taïwan, Taipei 10617, Taïwan
5. Département de physique, Université de Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japon


D'où viennent les petits trous noirs ?

Un trou noir est une singularité, un point infiniment dense dans l'espace rempli de matière. Il se forme lorsque cette matière est si serrée que la force de la gravité submerge tout le reste, et l'affaire s'effondre. ça se déforme espace-temps et s'entoure d'un "horizon des événements", une région limite sphérique au-delà de laquelle aucune lumière ne peut s'échapper.

Les lois du général relativité permettre aux trous noirs d'exister à n'importe quelle échelle écraser une fourmi assez fort et elle s'effondrera dans un trou noir tout comme une étoile, elle sera juste incroyablement petite.

La plupart des théories PBH supposent que ces objets ont des masses comme de petites planètes, avec des horizons d'événements aussi petits que des pamplemousses. C'est une idée farfelue, toujours en marge de la physique des trous noirs et de la matière noire, a déclaré Joey Neilsen, physicien à l'Université de Villanova qui n'était pas impliqué dans la nouvelle étude. Mais récemment, alors que d'autres théories de la matière noire se sont révélées vides, certains chercheurs ont réexaminé la notion de PBH.

Si les PBH existent, ils doivent être très anciens. Dans l'univers moderne, il n'y a que deux méthodes connues pour créer de nouveaux trous noirs à partir de matière normale : des étoiles beaucoup plus lourdes que le soleil qui entrent en collision ou qui explosent. Ainsi, chaque trou noir connu pèse plus que l'ensemble système solaire (parfois beaucoup plus).

Faire de petits trous noirs nécessite un tout autre ensemble de mécanismes et d'ingrédients.

Ces ingrédients seraient "l'étoffe du Big Bang, la même substance qui fabrique les étoiles et les galaxies", a déclaré Neilsen à Live Science.

Juste après le Big Bang, l'univers nouvellement en expansion était plein de matière chaude et dense largement indifférenciée s'étendant dans toutes les directions. Il y avait de petites poches de turbulence dans ce bourbier encore visibles car les fluctuations du fond diffus cosmologique (CMB), la rémanence du Big Bang et ces fluctuations ont donné la structure de l'univers.

"Si c'est un peu plus dense au point A, alors les choses sont attirées gravitationnellement vers le point A", a déclaré Neilsen. "Et au cours de l'histoire de l'univers, cette attraction provoque la chute de gaz et de poussière vers l'intérieur, leur fusion, leur effondrement et la formation d'étoiles, de galaxies et de toutes les structures de l'univers que nous connaissons."

La plupart des théories PBH impliquent des fluctuations très intenses dans l'univers primitif, plus fortes que celles qui ont formé les galaxies.

Dans ce nouvel article, les chercheurs placent ces fluctuations intenses au cours d'une période connue sous le nom d'"inflation". Dans les premiers mille milliards de milliards de milliardièmes de seconde après le Big Bang, l'univers s'est étendu à une vitesse exponentielle. Cette expansion précoce rapide a donné à l'espace-temps sa forme "plate" actuelle, pensent les chercheurs, et cela a probablement empêché l'espace de se courber, comme Live Science a déjà rapporté.

Dans un nouvel article publié le 20 novembre au arXiv base de données, les chercheurs proposent que pendant l'inflation, il pourrait y avoir eu des moments où tout l'espace-temps était intensément courbé, avant de finalement s'aplatir. Ces brèves courbures, cependant, auraient produit des fluctuations dans l'univers en expansion suffisamment intenses pour finalement former une grande population de trous noirs de masse terrestre.


Lien possible entre les trous noirs primordiaux et la matière noire

La première image de cette animation en boucle est une image du télescope spatial Spitzer de la NASA qui montre une vue infrarouge d'une zone du ciel dans la constellation Ursa Major. Dans le deuxième cadre (coloré), après avoir masqué toutes les étoiles, galaxies et artefacts connus et amélioré ce qui restait, une lueur d'arrière-plan irrégulière apparaît. Ce sont les couleurs plus claires du fond infrarouge cosmique (CIB) qui indiquent les zones plus lumineuses. La lueur du CIB est plus irrégulière que ce qui peut être expliqué par des galaxies lointaines non résolues, et cette structure en excès serait de la lumière émise lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années. Les scientifiques disent qu'il provient probablement des premiers objets lumineux à se former dans l'univers, qui comprend à la fois les premières étoiles et les trous noirs. Crédits image : NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard). Une animation d'Ade Ashford. La matière noire est une substance mystérieuse composant la majeure partie de l'univers matériel, maintenant largement considérée comme une forme de particule exotique massive. Une vue alternative intrigante est que la matière noire est constituée de trous noirs formés au cours de la première seconde de l'existence de notre univers, connus sous le nom de trous noirs primordiaux. Maintenant, un scientifique du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, suggère que cette interprétation s'aligne sur notre connaissance de l'infrarouge cosmique et des rayons X et peut expliquer les masses étonnamment élevées de fusion des trous noirs détectés l'année dernière.

"Cette étude est un effort pour rassembler un large éventail d'idées et d'observations pour tester leur ajustement, et l'ajustement est étonnamment bon", a déclaré Alexander Kashlinsky, astrophysicien à la NASA Goddard. "Si cela est correct, alors toutes les galaxies, y compris la nôtre, sont intégrées dans une vaste sphère de trous noirs chacun environ 30 fois la masse du Soleil."

En 2005, Kashlinsky a dirigé une équipe d'astronomes utilisant le télescope spatial Spitzer de la NASA pour explorer la lueur de fond de la lumière infrarouge dans une partie du ciel. Les chercheurs ont signalé une inégalité excessive dans la lueur et ont conclu qu'elle était probablement causée par la lumière globale des premières sources à illuminer l'univers il y a plus de 13 milliards d'années. Des études de suivi ont confirmé que ce fond infrarouge cosmique (CIB) présentait une structure inattendue similaire dans d'autres parties du ciel.

En 2013, une autre étude a comparé la façon dont le fond de rayons X cosmique (CXB) détecté par l'observatoire de rayons X Chandra de la NASA par rapport au CIB dans la même zone du ciel. Les premières étoiles émettaient principalement de la lumière optique et ultraviolette, qui est aujourd'hui étirée dans l'infrarouge par l'expansion de l'espace, elles ne devraient donc pas contribuer de manière significative au CXB.

Pourtant, la lueur irrégulière des rayons X de basse énergie dans le CXB correspondait assez bien à la disparate du CIB. Le seul objet que nous connaissons qui puisse être suffisamment lumineux sur cette large gamme d'énergie est un trou noir. L'équipe de recherche a conclu que les trous noirs primordiaux devaient être abondants parmi les premières étoiles, représentant au moins une source sur cinq contribuant au CIB.

La nature de la matière noire reste l'un des problèmes non résolus les plus importants en astrophysique. Les scientifiques privilégient actuellement les modèles théoriques qui expliquent la matière noire comme une particule massive exotique, mais jusqu'à présent, les recherches n'ont pas réussi à prouver que ces particules hypothétiques existent réellement. La NASA étudie actuellement ce problème dans le cadre de ses missions Alpha Magnetic Spectrometer et Fermi Gamma-ray Space Telescope.

"Ces études fournissent des résultats de plus en plus sensibles, réduisant lentement la boîte de paramètres où les particules de matière noire peuvent se cacher", a déclaré Kashlinsky. « L'incapacité à les trouver a suscité un regain d'intérêt pour l'étude de la façon dont les trous noirs primordiaux et les trous noirs primordiaux se sont formés dans la première fraction de seconde de l'univers et pourraient fonctionner comme de la matière noire. »

Les physiciens ont décrit plusieurs façons dont l'univers chaud et en expansion rapide pourrait produire des trous noirs primordiaux dans les premiers millièmes de seconde après le Big Bang. Plus l'univers est vieux lorsque ces mécanismes s'installent, plus les trous noirs peuvent être gros. Et parce que la fenêtre pour les créer ne dure qu'une infime fraction de la première seconde, les scientifiques s'attendent à ce que les trous noirs primordiaux présentent une gamme étroite de masses.

Le 14 septembre, les ondes gravitationnelles produites par une paire de trous noirs fusionnant à 1,3 milliard d'années-lumière ont été capturées par les installations de l'observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) à Hanford, Washington, et Livingston, en Louisiane. Cet événement a marqué la toute première détection d'ondes gravitationnelles ainsi que la première détection directe de trous noirs. Le signal a fourni aux scientifiques de LIGO des informations sur les masses des trous noirs individuels, qui étaient 29 et 36 fois la masse du Soleil, plus ou moins environ quatre masses solaires. Ces valeurs étaient à la fois étonnamment élevées et étonnamment similaires.

"Selon le mécanisme à l'œuvre, les trous noirs primordiaux pourraient avoir des propriétés très similaires à celles détectées par LIGO", a expliqué Kashlinsky. « Si nous supposons que c'est le cas, que LIGO a détecté une fusion de trous noirs formés dans l'univers primitif, nous pouvons examiner les conséquences que cela a sur notre compréhension de l'évolution du cosmos.


Les trous noirs primordiaux, s'ils existent, pourraient être similaires aux trous noirs fusionnés détectés par l'équipe LIGO en 2014. Cette simulation informatique montre au ralenti à quoi aurait ressemblé cette fusion de près. L'anneau autour des trous noirs, appelé anneau d'Einstein, provient de toutes les étoiles dans une petite région directement derrière les trous dont la lumière est déformée par la lentille gravitationnelle. Les ondes gravitationnelles détectées par LIGO ne sont pas montrées dans cette vidéo, bien que leurs effets puissent être vus dans l'anneau d'Einstein. Gravitational waves travelling out behind the black holes disturb stellar images comprising the Einstein ring, causing them to slosh around in the ring even long after the merger is complete. Gravitational waves travelling in other directions cause weaker, shorter-lived sloshing everywhere outside the Einstein ring. If played back in real time, the movie would last about a third of a second. Image credits: SXS Lensing.

In his new paper, published today in The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analyses what might have happened if dark matter consisted of a population of black holes similar to those detected by LIGO. The black holes distort the distribution of mass in the early universe, adding a small fluctuation that has consequences hundreds of millions of years later, when the first stars begin to form.

For much of the universe’s first 500 million years, normal matter remained too hot to coalesce into the first stars. Dark matter was unaffected by the high temperature because, whatever its nature, it primarily interacts through gravity. Aggregating by mutual attraction, dark matter first collapsed into clumps called minihaloes, which provided a gravitational seed enabling normal matter to accumulate. Hot gas collapsed toward the minihaloes, resulting in pockets of gas dense enough to further collapse on their own into the first stars. Kashlinsky shows that if black holes play the part of dark matter, this process occurs more rapidly and easily produces the lumpiness of the CIB detected in Spitzer data even if only a small fraction of minihaloes manage to produce stars.

As cosmic gas fell into the minihaloes, their constituent black holes would naturally capture some of it too. Matter falling toward a black hole heats up and ultimately produces X-rays. Together, infrared light from the first stars and X-rays from gas falling into dark matter black holes can account for the observed agreement between the patchiness of the CIB and the CXB.

Occasionally, some primordial black holes will pass close enough to be gravitationally captured into binary systems. The black holes in each of these binaries will, over eons, emit gravitational radiation, lose orbital energy and spiral inward, ultimately merging into a larger black hole like the event LIGO observed.

“Future LIGO observing runs will tell us much more about the universe’s population of black holes, and it won’t be long before we’ll know if the scenario I outline is either supported or ruled out,” Kashlinsky said.


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In: Physical review letters , Vol. 122, No. 21, 211301, 29.05.2019.

Résultats de recherche : Contribution à la revue › Article › peer-review

T1 - Primordial Black Hole Dark Matter

N1 - Funding Information: We warmly thank the anonymous referee for asking about the propagation effect. We thank A. Katz for illuminating discussions on the microlensing and neutron star constraints on the PBH abundance and D. Racco for many discussions. We thank C. R. Contaldi for discussions on the GW propagation and M. Hindmarsh for discussion of Gaussianity. N. B. acknowledges partial financial support by the ASI/INAF Agreement I/072/09/0 for the Planck LFI Activity of Phase E2. He also acknowledges financial support by ASI Grant No. 2016-24-H.0. A. R. is supported by the Swiss National Science Foundation (SNSF), project The Non-Gaussian Universe and Cosmological Symmetries, Project No. 200020-178787. A. L. is supported by the European Research Council under the European Union’s Seventh Framework Programme (FP/2007-2013) / ERC Grant Agreement No. [616170]. Publisher Copyright: © 2019 American Physical Society.

N2 - There has recently been renewed interest in the possibility that the dark matter in the Universe consists of primordial black holes (PBHs). Current observational constraints leave only a few PBH mass ranges for this possibility. One of them is around 10-12 M. If PBHs with this mass are formed due to an enhanced scalar-perturbation amplitude, their formation is inevitably accompanied by the generation of gravitational waves (GWs) with frequency peaked in the mHz range, precisely around the maximum sensitivity of the LISA mission. We show that, if these primordial black holes are the dark matter, LISA will be able to detect the associated GW power spectrum. Although the GW source signal is intrinsically non-Gaussian, the signal measured by LISA is a sum of the signal from a large number of independent sources suppressing the non-Gaussianity at detection to an unobservable level. We also discuss the effect of the GW propagation in the perturbed Universe. PBH dark matter generically leads to a detectable, purely isotropic, Gaussian and unpolarized GW signal, a prediction that is testable with LISA.

AB - There has recently been renewed interest in the possibility that the dark matter in the Universe consists of primordial black holes (PBHs). Current observational constraints leave only a few PBH mass ranges for this possibility. One of them is around 10-12 M. If PBHs with this mass are formed due to an enhanced scalar-perturbation amplitude, their formation is inevitably accompanied by the generation of gravitational waves (GWs) with frequency peaked in the mHz range, precisely around the maximum sensitivity of the LISA mission. We show that, if these primordial black holes are the dark matter, LISA will be able to detect the associated GW power spectrum. Although the GW source signal is intrinsically non-Gaussian, the signal measured by LISA is a sum of the signal from a large number of independent sources suppressing the non-Gaussianity at detection to an unobservable level. We also discuss the effect of the GW propagation in the perturbed Universe. PBH dark matter generically leads to a detectable, purely isotropic, Gaussian and unpolarized GW signal, a prediction that is testable with LISA.


Voir la vidéo: Supernova et trous noirs (Novembre 2022).