Les simulations numériques de la formation des grandes structures de l’Univers permettraient de comprendre comment la matière noire pourrait avoir donné les premiers trous noirs supermassifs. Ici, une image extraite d'une de ces simulations réalisées avec des superordinateurs dans le cadre du Millennium Simulation Project – dont l'objectif est d'en savoir plus sur la manière dont les galaxies et les amas de galaxies se forment et se rassemblent pour créer, à grande échelle, des structures en forme de filaments. L'image est suffisamment précise pour comprendre bien des aspects de l'univers observable en utilisant la théorie de Newton de la gravitation. © Max Planck Institute for Astrophysics, Springel et al.
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Les trous noirs supermassifs sont-ils nés grâce à la matière noire pendant le Big Bang ?

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[EN VIDÉO] Un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

Les trous noirs sont partout dans l'Univers et certains pensent qu'ils pourraient constituer une partie de la matière noire. Inversement, celle-ci pourrait en fait avoir provoqué l'effondrement direct de ses surdensités de matière pendant le Big Bang, donnant les premiers trous noirs supermassifs.

Une des plus importantes motivations pour supposer l'existence de particules de matière noire jamais encore mises en évidence sur Terre dans des collisions avec des accélérateurs de particules ou dans des détecteurs enterrés sous des montagnes est de pouvoir faire naître rapidement les galaxies que nous observons déjà formées au moins il y a quelques centaines de millions d'années après le Big Bang.

En effet, l'analyse des fluctuations de température du rayonnement fossile nous permet d'en déduire en premier lieu les fluctuations de densité dans la matière normale, qui interagit avec la lumière, seulement 380.000 ans environ après le Big Bang. Si l'on calcule le temps d'effondrement de ces fluctuations de matière selon les lois de la gravitation connues, les galaxies n'auraient pas encore eu le temps de se former aujourd'hui. Mais si l'on imagine des fluctuations de densité d'une matière ne pouvant pas émettre de lumière (ou très peu) plus importante que pour la matière formée de protons, neutrons et électrons, alors on peut faire naître très tôt les galaxies.

Toutefois, on sait qu'en leur cœur il existe très tôt aussi des trous noirs supermassifs contenant déjà au moins un million de masses solaires et dans certains cas au moins un milliard. On s'explique mal l'apparition aussi précoce de ces trous noirs géants, même si on peut les faire grandir rapidement par accrétion de matière en grandes quantités, en l'occurrence avec des filaments de matière froide noire.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Des trous noirs nés avant ou après le rayonnement fossile ?

Parmi les explications explorées il y a celles des trous noirs primordiaux qui se seraient formés à partir de fluctuations de densité dans la matière avant l'émission du rayonnement fossile. Ils seraient donc des fossiles du Big Bang lui-même et ne se seraient pas formés par effondrement de la matière une fois celui-ci terminé.

Il est tentant de relier ces trous noirs primordiaux à la matière noire, non pas seulement en proposant que les particules de matière noire n'existent pas vraiment mais sont un gaz de trous noirs primordiaux dont les plus massifs seraient pour certains des trous noirs de quelques dizaines de masses solaires détectés avec les ondes gravitationnelles émises lors de leur fusion et qui ont traversé les « télescopes » Ligo et Virgo, mais en faisant se former ces trous noirs avant tout par effondrement de surdensités de matière noire.

Dans le précédent article ci-dessous, Futura exposait l'une des théories de la formation des trous noirs supermassifs par effondrement de la matière noire, mais un effondrement produit bien après le Big Bang et avant l'émission du rayonnement fossile.

Dans l'article publié aujourd'hui dans Physical Review Letters par Hooman Davoudiasl, Peter Denton, et  Julia Gehrlein en poste au Brookhaven National Laboratory et dont une version est en accès libre sur arXiv, c'est avant l'émission du rayonnement fossile que les trous noirs supermassifs se seraient formés à partir de la matière noire.

Pierre Brun est physicien des particules à l’Irfu et travaille à la frontière entre la physique des particules et la cosmologie. Il s’intéresse à une théorie qui postule l’existence d’une particule dénommée « axion », qui résoudrait certains problèmes liés à la violation de symétrie dans les lois de la physique de l’interaction forte. Neutre et léger et interagissant très faiblement avec la matière, l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire. © CEA Sciences

Une théorie testable avec les ondes gravitationnelles

Les calculs des trois physiciens théoriciens reposent sur une classe particulière de particules très légères du type de celles que l'on appelle des axions et qui ont été initialement postulées pour rendre compte d'une énigme avec les équations de la QCD, la théorie qui décrit le monde des hadrons composés de quarks liés par la force nucléaire forte et ses gluons, les cousins du photon.

Nous ne savons toujours pas si les axions existent et dans le cas du travail aujourd'hui publié, les axions considérés sont naturellement reliés à la théorie des supercordes et ils sont extrêmement légers puisque leur masse serait cent milliards de milliards de milliards de fois plus légère que celle d'un proton.

Des particules de matière noire très légères sont de plus en plus souvent considérées car beaucoup de modèles avec des particules massives du genre de celles que l'on appelle des Wimps (pour Weakly Interacting Massive Particles) sont désormais défavorisés.

Le gaz primordial d'axions postulés par Hooman Davoudiasl, Peter Denton, et Julia Gehrlein aurait alors subi ce que l'on appelle une transition de phase du premier ordre (comme celles de l'eau avec la température ou celle menant à l'apparition d'un condensat de Bose-Einstein), le conduisant à s'effondrer en donnant directement des trous noirs supermassifs de l'ordre d'un milliard de masses solaires.

Le phénomène aurait engendré un bain d'ondes gravitationnelles possédant aujourd'hui une bande de fréquences bien précise mais que l'on ne peut encore mettre en évidence avec des détecteurs comme Virgo et Ligo. Mais il serait bientôt à la portée de la méthode de détection basée sur l’étude de populations de pulsars dans le cadre des recherches conduites avec NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves).

Pour en savoir plus

Les trous noirs supermassifs seraient nés grâce à la matière noire

Article de Laurent Sacco publié le 05/04/2016

Les trous noirs sont partout dans l'univers et certains pensent qu'ils pourraient constituer une partie de la matière noire. Celle-ci pourrait avoir provoqué l'effondrement direct de surdensités de matière au début de l'histoire du cosmos, donnant les premiers trous noirs supermassifs.

Et si les astres compacts situés au cœur des grandes galaxies et contenant plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires n'étaient pas des trous noirs décrits par la théorie de la relativité générale ? L'idée n'est pas à exclure. Cependant, il n'existe pas vraiment d'alternative, à part peut-être des trous de vers ou, pour le moins, des objets dont la description effective ne diffère presque pas de la théorie classique, bâtie entre 1965 et 1975 à partir de la théorie d'Einstein. Le concept d'horizon des évènements pourrait ainsi être assoupli, comme l'a proposé il y a quelques années Stephen Hawking.

En tout état de cause, il faut expliquer la naissance de ces objets. En ce qui concerne les trous noirs, diverses hypothèses ont été avancées mais aucune n'a pu s'imposer. Il semble clair pourtant qu'ils ont évolué en fusionnant et en accrétant de la matière, comme les galaxies qui les abritent. Mais d'où viennent leurs germes ?

Il est difficile de faire intervenir la formation d'étoiles très massives qui se seraient ensuite effondrées en trous noirs car des étoiles contenant plus de quelques centaines de masses solaires posent des problèmes. On a aussi essayé de faire intervenir des trous noirs primordiaux ; en théorie, ceux-ci sont faciles à former. Toutefois, les observations ont fini par défavoriser leur existence. Cela signifie que le cosmos observable a débuté son histoire avec des conditions initiales qui n'étaient pas propices à la formation de germes de trous noirs supermassifs de cette façon.

Un extrait de la nouvelle simulation numérique montrant l'effondrement des distributions de matière noire au cours des premières centaines de millions d'années de l'histoire de l'univers observable. Des filaments de matière noire, où se concentre ensuite la matière normale à l'origine des galaxies, sont bien visibles. © Kentaro Nagamine, Osaka University, Japan

Des graines de trous noirs de deux millions de masses solaires

L'énigme de l'origine de ces trous noirs semble apparaître sous un nouveau jour si l'on en croit deux articles publiés dans le journal MNRAS, accessibles sur arXiv. Ils proviennent de nouvelles simulations numériques conduites par un groupe de chercheurs des universités d'Osaka, au Japon, et du Kentucky, aux États-Unis.

Plusieurs simulations de la formation des grandes structures de l'univers ont déjà été réalisées avec des superordinateurs depuis des décennies. On peut citer celle du Millennium ou encore DEUS. Les premières simulations menées dans le cadre des cosmologies avec de la matière noire ne prenaient en compte que cette matière exotique. D'autres ont ensuite fait intervenir un mélange de matière normale et de matière noire. C'est dans ce dernier cadre que les chercheurs ont travaillé, en raffinant leurs méthodes de calcul.

Il s'est avéré que, au bout d'un moment, des fluctuations de la densité de la matière noire ont conduit de la matière à chuter rapidement au cœur des zones de surdensité par effondrement gravitationnel. Des régions contenant pas loin de deux millions de masses solaires ont ainsi pu s'effondrer, plus tard, plus complètement et directement, en donnant des trous noirs supermassifs. Ces régions seraient apparues en environ 2 millions d'années, pendant la phase de formation des première étoiles et galaxies.

Le chemin conduisant ces concentrations à devenir réellement des trous noirs dans une seconde phase reste encore à explorer. Selon les astrophysiciens, la réalité de la première phase pourrait être établie grâce aux observations futures du télescope spatial James Webb.

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