Des populations de naines blanches pourraient ne pas survivre dans un environnement riche en mini trous noirs formés pendant les phases très primitives de l'histoire de l'univers. Cette hypothèse illustre à nouveau la pertinence d'une jeune discipline, celle des astroparticules. On y utilise la physique des hautes énergies pour comprendre les astres. Objectif : se servir d'eux pour tester des théories concernant les particules élémentaires et la physique du Big Bang.
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Certains affirment parfois que Subrahmanyan ChandrasekharSubrahmanyan Chandrasekhar avait prédit l'existence des trous noirstrous noirs avant tout le monde. C'est en partie vrai. Bien sûr John Michell et Pierre-Simon de Laplace avaient calculé dès la fin du XVIIIe siècle que des astresastres suffisamment denses pouvaient piéger la lumièrelumière qu'ils émettaient. Mais encore fallait-il que ces astres puissent prendre effectivement naissance dans l'universunivers selon les lois de la physiquephysique. Or, c'est bien Chandrasekhar qui, au début des années 1930, a démontré le premier qu'il existait une limite à la massemasse d'une naine blanche au-dessus de laquelle elle devait s'effondrer gravitationnellement totalement, a priori sans recours possible, donc, en langage moderne, en donnant un trou noir.

Plus tard, Yakov Zel'dovich, Igor Novikov et Stephen HawkingStephen Hawking se sont rendu compte que des mini trous noirs, et même de gros trous noirs moins massifs que des étoilesétoiles, pouvaient s'être formés au tout début de l'histoire de l’univers observable, du fait de fluctuations de densités dans le fluide de particules primordial. Avec l'accumulation des preuves de l'existence de la matière noire, les spécialistes se sont demandé si celle-ci n'était pas en fait tout bonnement constituée de ces mini trous noirs. Des contraintes sur cette hypothèse ont été posées d'années en années. Résultat : elle ne semble plus probable en ce qui concerne l'ensemble de la matière noirematière noire. Toutefois, une fraction de cette matière pourrait se trouver sous forme d'une population des ces objets exotiquesexotiques, dans un certain intervalle de masse.

Les spécialistes espéraient détecter quelques-uns de ces mini trous noirs sous la forme d'explosions causées par leur évaporation par effet Hawking. Cet espoir fut déçu mais des alternatives ont été proposées, par exemple chasser cette matière noire un peu particulière grâce à des effets de microlentilles gravitationnelles. Trois chercheurs états-uniens ont eu une autre idée, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv.

La masse minimale d'un trou noir nécessaire pour détruire une naine blanche de carbone d'une masse donnée est en ordonnée sur ce graphique (<em>Black Hole Mass</em>). La masse des naines blanches (<em>White Dwarf Mass</em>), en abscisse, est donnée en unité de masse solaire. Plus les naines blanches sont massives, et ont des densités élevées, moins il est nécessaire d'une petite perturbation induite par un transit de trou noir afin d'initier des réactions de fusion qui s'emballent. © Peter W. Graham, Surjeet Rajendran, Jaime Varela

La masse minimale d'un trou noir nécessaire pour détruire une naine blanche de carbone d'une masse donnée est en ordonnée sur ce graphique (Black Hole Mass). La masse des naines blanches (White Dwarf Mass), en abscisse, est donnée en unité de masse solaire. Plus les naines blanches sont massives, et ont des densités élevées, moins il est nécessaire d'une petite perturbation induite par un transit de trou noir afin d'initier des réactions de fusion qui s'emballent. © Peter W. Graham, Surjeet Rajendran, Jaime Varela

Des naines blanches chauffées par de la matière noire

Dans une zone riche en matière noire contenant une quantité importante de mini trous noirs, il doit arriver qu'au cours des milliers ou des millions d'années, certains de ces mini trous noirs entrent en collision avec des astres. Cela est peut-être déjà arrivé sur Terre. D'ordinaire, pour des mini trous noirs suffisamment petits, les astres survivent sans problème. Mais, dans le cas des naines blanchesnaines blanches, tout peut être différent.

Ces astres qui peuvent avoir la taille de la TerreTerre pour la masse du SoleilSoleil, ne sont plus le siège de réactions nucléairesréactions nucléaires. Une brusque élévation locale de leur température peut cependant amorcer une série de réactions conduisant à l'explosion de la naine blanche qui doit alors donner une SN Ia. On pense que ces supernovaesupernovae ne se produisent que quand une naine blanche dépasse la limite de Chandrasekharlimite de Chandrasekhar, environ 1,4 masse solaire, soit parce que cette dernière a accrété de la matière en provenance d'une étoile compagne proche (qui n'est pas encore devenue une naine blanche ou qui ne le deviendra jamais si elle est trop massive) formant un système binairesystème binaire, soit en raison d'une collision de naines blanches.

Or, un mini trou noir pénétrant dans une naine blanche va attirer vers lui des particules le long de sa trajectoire et cela va se traduire par une augmentation de température. L'explosion n'est possible que si la masse de la naine blanche et celle du mini trou noir se situent dans un rapport précis selon les chercheurs. Il est donc possible de poser des bornes sur la masse de ces mini trous noirs en observant celles de populations de naines blanches n'ayant pas explosé depuis des millions d'années dans une région du cosmos.

En fait, comme l'explique les chercheurs, d'autres candidats au titre de particules de matière noire auraient aussi le même effet avec les naines blanches. Ils peuvent donc servir utilement à poser des bornes aux hypothèses proposées pour expliquer l'existence de la matière noire.