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La matière noire n'est pas faite de trous noirs

Astronomie : La matière noire n'est pas faite de trous noirs

En février 2016, les scientifiques travaillant pour l'observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) ont marqué l'histoire en annonçant la toute première détection d'ondes gravitationnelles. Depuis lors, de nombreuses détections ont eu lieu et les collaborations scientifiques entre observatoires - comme Advanced LIGO et Advanced Virgo - permettent des niveaux de sensibilité et de partage de données sans précédent.

Cet événement a non seulement confirmé une prédiction centenaire faite par la théorie de la relativité générale d'Einstein, mais a également entraîné une révolution de l'astronomie. Cela a également nourri les espoirs de certains scientifiques qui pensaient que les trous noirs pourraient expliquer la "masse manquante" de l'Univers. Malheureusement, une nouvelle étude réalisée par une équipe de physiciens de l’Université de Berkeley a montré que les trous noirs ne sont pas la source tant recherchée de matière noire.

Leur étude, «Limites imposées aux objets compacts de masse stellaire comme matière noire à partir de lentilles gravitationnelles de supernovae de type Ia», est récemment parue dans Physical Review Letters . L’étude a été dirigée par Miguel Zumalacarregu, membre du programme Marie Curie du Centre de physique cosmologique de Berkeley (BCCP), avec le soutien de Uros Seljak, professeur de cosmologie et co-directeur du BCCP.

Pour le dire simplement, la matière noire reste l’un des mystères les plus insaisissables et les plus gênants auxquels sont confrontés les astronomes aujourd’hui. Bien qu'il contienne 84, 5% de la matière de l'univers, toutes les tentatives pour le découvrir ont échoué jusqu'à présent. De nombreux candidats ont été proposés, allant des particules ultra-légères (axions) aux particules massives faiblement interagissantes (WIMD-Interacting Massive Particles) (WIMPS) en passant par les objets massifs compacts Halo (MACHO).

Cependant, la masse de ces candidats est de l'ordre de 90, ce que plusieurs théoriciens ont tenté de résoudre en proposant qu'il puisse exister plusieurs types de matière noire. Cependant, cela nécessiterait différentes explications de leurs origines, ce qui ne ferait que compliquer davantage les modèles cosmologiques. Comme l'explique Miguel Zumalacárregui dans un communiqué de presse publié récemment par UC Berkeley:

«Je peux imaginer que ce soit deux types de trous noirs, des trous très lourds et très légers, ou des trous noirs et de nouvelles particules. Mais dans ce cas, l’un des composants est plus lourd que l’autre, et il doit être produit en abondance comparable. Nous passerions de quelque chose d'astrophysique à quelque chose de vraiment microscopique, peut-être même le plus léger de l'univers, ce qui serait très difficile à expliquer. "

Dans le cadre de leur étude, l'équipe a procédé à une analyse statistique de 740 supernovas les plus brillants découverts (à partir de 2014) afin de déterminer si l'un d'entre eux avait été grossi ou éclairci par la présence d'un trou noir intermédiaire. Ce phénomène, où la force gravitationnelle d'un objet de grande taille amplifie la lumière provenant d'objets plus lointains, est appelé «lentille gravitationnelle».

Une explosion en supernova d'une étoile massive semble plus brillante pour un observateur sur Terre si un trou noir se situe entre l'explosion et l'observateur. Crédit: APS / Carin Cain image

Fondamentalement, si les trous noirs étaient la forme dominante de matière dans l’Univers, les supernovas grossies par gravitation seraient assez fréquentes à cause des trous noirs primordiaux. On pense que ces formes hypothétiques de trou noir se sont formées au cours des premières millisecondes après le Big Bang dans des parties de l'Univers où la masse était concentrée à des dizaines ou des centaines de masses solaires, entraînant la formation des premiers trous noirs.

La présence de cette population de trous noirs, ainsi que de tout objet compact et massif, aurait pour effet de plier et d’agrandir de façon gravitationnelle la lumière provenant d’objets éloignés menant à la Terre. Cela serait particulièrement vrai des supernovas lointaines de Type Ia, que les astronomes utilisent depuis des décennies comme source de luminosité standard pour mesurer les distances cosmiques et la vitesse à laquelle l'Univers se développe.

Cependant, après avoir effectué une analyse statistique complexe des données sur la luminosité et la distance de 740 supernovas 580 dans l'Union et 740 dans les catalogues de l'analyse de la courbe de lumière commune (JLA), l'équipe a conclu que huit des supernovas devraient: être plus lumineux de quelques dixièmes de pour cent que ce qui a été observé historiquement. Cependant, aucun éclaircissement de ce type n'a été détecté, même en tenant compte des trous noirs de faible masse.

"Vous ne pouvez pas voir cet effet sur une supernova, mais lorsque vous les mettez tous ensemble et effectuez une analyse bayésienne complète, vous commencez à imposer de très fortes contraintes à la matière noire, car chaque supernova compte et vous en avez beaucoup, dit Zumalac rregui.

Selon certaines théories, les premiers trous noirs (primordiaux) ont formé des millisecondes après le Big Bang. Crédit: NASA / JPL-Caltech

À partir de leur analyse, ils ont conclu que les trous noirs ne peuvent représenter plus de 40% de la matière noire dans l’Univers. Après avoir inclus 1 048 supernovas plus brillantes du catalogue Panthéon (et sur de plus grandes distances), les contraintes sont devenues encore plus strictes. Avec ce deuxième ensemble de données, ils ont obtenu une limite supérieure encore plus basse - 23% - que dans leur analyse initiale.

Ces résultats suggèrent qu'aucune des matières noires de l'Univers ne consiste en de lourds trous noirs, ni en aucun autre objet aussi massif que MACHO. «Nous sommes de retour aux discussions habituelles», a déclaré Seljak. «Qu'est-ce que la matière noire? En effet, nous manquons de bonnes options. C'est un défi pour les générations futures. "

Cette étude était basée sur des recherches antérieures menées par Seljak à la fin des années 90, lorsque les scientifiques considéraient les MACHO et d'autres objets gigantesques comme une source possible de matière noire. Cependant, l’étude était limitée en raison du fait que seul un petit nombre de supernovas de type Ia distantes avaient été découvertes ou que leurs distances avaient été mesurées à ce moment-là.

De plus, la recherche de la matière noire est passée peu de temps après des objets volumineux aux particules fondamentales (telles que les WIMP). En conséquence, les plans de suivi étudiés ne se sont pas concrétisés. Mais grâce aux observations d'ondes gravitationnelles de LIGO, le lien possible entre les trous noirs et la matière noire a de nouveau émergé et a inspiré Seljak et Zumalacárregui à mener leur analyse.

Vue d'artiste de deux trous noirs confondus, théorisés comme une source d'ondes gravitationnelles. Crédit: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel / SXS

"Ce qui était intéressant, c'est que la masse des trous noirs dans l'événement LIGO était juste là où les trous noirs n'avaient pas encore été exclus en tant que matière noire", a déclaré Seljak. «C’était une coïncidence intéressante qui excitait tout le monde. Mais c'était une coïncidence. "

La théorie de la matière noire a été officiellement adoptée dans les années 1970, pendant «l'âge d'or de la relativité», afin de prendre en compte les divergences entre la masse apparente d'objets dans l'univers et les effets de gravité observés. Il semble qu'un demi-siècle plus tard, nous essayons toujours de retrouver cette masse mystérieuse et invisible. Mais avec chaque étude, des contraintes supplémentaires sont imposées à la matière noire et des candidats potentiels sont éliminés.

Avec le temps, nous pourrons peut-être résoudre ce mystère cosmologique et progresser dans la compréhension de la formation et de l'évolution de l'Univers.

Lectures complémentaires: Berkeley News, Physical Review Letters

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