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Matière noire et trous noirs : Kepler pourrait découvrir un lien

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Kepler est normalement destiné à traquer des exoterres. Mais selon un groupe d'astrophysiciens, il pourrait également servir à élucider le mystère de la matière noire, en montrant qu'elle pourrait être partiellement composée de minitrous noirs primordiaux.

En 1996, le télescope Hubble observait un effet de microlentille gravitationnelle comme le montrent les deux images à gauche. La luminosité d'une étoile augmente temporairement d'une façon telle qu'il ne peut s'agir d'une étoile variable normale mais bien du passage d'un Macho, c'est à dire un objet massif et compact dans le halo de la Voie lacté, entre cette étoile et la Terre. © Nasa

Il n'y a guère de doute sur la présence dans l'univers observable d'une composante matérielle ne ressemblant pas à celle formant notre cerveau et les étoiles. On appelle cette composante inconnue la matière noire. On pense qu'il pourrait s'agir de particules issues d'une physique au-delà du modèle standard et qui ne s'est pas encore montrée au LHC. Mais d'autres possibilités sont envisagées.

On spécule depuis des décennies sur la nature de la matière noire et on a en particulier proposé qu'elle pourrait être constituée, au moins partiellement, de minitrous noirs. En effet, comme Stephen Hawking fut l'un des premiers à le comprendre, lorsque l'univers observable était dans une phase très primordiale, des fluctuations de densité de son contenu en matière et rayonnement pouvaient alors former des trous noirs de presque toutes les masses, de celle de Planck à celle des énormes trous noirs tapis au cœur des galaxies.

Toutefois, en raison des lois de la mécanique quantique, les trous noirs ne le sont pas totalement... Ils doivent en effet s'évaporer en émettant des particules d'autant plus vite qu'ils sont petits. Les trous noirs se présentent en réalité comme des corps noirs rayonnant des particules à une température inversement proportionnelle à leur masse.

Stephen Hawking quelques années après avoir découvert en 1974 le rayonnement des trous noirs. © Nasa

Un trou noir de la masse de la Terre rayonnerait comme un corps noir à une température de 0,02 K environ. Il serait donc plus froid que le rayonnement fossile. Il ne pourrait pas s'évaporer actuellement mais au contraire absorberait ce rayonnement pour se réchauffer, à la façon dont un glaçon absorbe la chaleur dans un verre d'eau bouillante.

Pour des trous noirs bien plus petits, par exemple de quelques tonnes, les choses seraient très différentes et on les verrait s'évaporer rapidement en brillant comme le Soleil.

On n'a encore jamais observé un trou noir en train de s'évaporer par rayonnement Hawking. Cette absence de détection (si ce processus d'évaporation est effectivement possible) pose des bornes sur le nombre de minitrous noirs primordiaux de masses données qui se trouveraient dans l'univers observable. Il existe donc des contraintes sévères quant à l'hypothèse que ces minitrous noirs constituent effectivement la matière noire, même partiellement.

Ainsi, sur un large intervalle de masse allant de 10-18 à 1016 masses solaires, il ne reste que l'intervalle de masse de 10-13 à 10-7 masse solaire qui soit encore compatible avec l'existence de minitrous noirs.

Une fenêtre observationelle sur les minitrous noirs primordiaux

Or, de façon surprenante et ingénieuse, comme il est expliqué dans un article sur arxiv, un groupe de chercheurs pensent que le satellite Kepler peut détecter des minitrous noirs dans cet intervalle de masse et même d'en exclure 40 %.

Un télescope au sol (Ground-based observatory) observe ici le passage d'un trou noir (black hole) devant une étoile lointaine. Le champ de gravitation du trou noir dévie les rayons lumineux de l'étoile et agit comme une lentille augmentant temporairement la luminosité de l'étoile (star). Kepler doit être en mesure d'observer un effet de microlentille gravitationnelle de ce genre avec des microtrous noirs primordiaux. © Nasa-Esa

L'idée est d'utiliser les performances des instruments de Kepler dans le domaine de la photométrie. Capable de détecter une minuscule baisse de luminosité d'une étoile lors du transit d'une exoplanète, Kepler pourrait tout aussi bien, à l'inverse, détecter une infime augmentation de luminosité, générée par un effet de microlentille gravitationnelle quand, par hasard, un minitrou noir dans cet intervalle de masse passe devant une étoile lointaine. L'augmentation de luminosité temporaire par effet de microlentille gravitationnelle produit en effet une courbe de lumière pour l'étoile bien caractéristique. On peut faire la différence avec une étoile variable. On a cherché, et découvert, de cette manière des naines brunes dans le halo de la Voie lactée avec Hubble et des télescopes au sol.

Ainsi, d'après les chercheurs, si le halo de la Voie lactée, qui doit contenir de la matière noire, abrite des minitrous noirs de masses comprises entre 5.10-10 et 10-4 masse solaire, on devrait pouvoir le savoir.

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