Une nouvelle recherche conteste les trous noirs comme explication de la matière noire

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont détecté une population de trous noirs massifs dont l’origine constitue l’un des plus grands mystères de l’astronomie moderne. Selon une hypothèse, ces objets pourraient s’être formés au tout début de l’univers et pourraient contenir de la matière noire, une substance mystérieuse qui remplit l’univers.

Une équipe de scientifiques de l’enquête OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) de l’Observatoire astronomique de l’Université de Varsovie a annoncé les résultats de près de 20 ans d’observations indiquant que des trous noirs aussi massifs pourraient représenter au plus quelques pour cent de l’obscurité. matière. Une autre explication est donc nécessaire pour les sources d’ondes gravitationnelles. Les résultats de la recherche ont été publiés dans une étude dans Nature et une étude en La série de suppléments du journal astrophysique.

Diverses observations astronomiques indiquent que la matière ordinaire, que nous pouvons voir ou toucher, ne représente que 5 % de la masse totale et du budget énergétique de l’univers. Dans la Voie lactée, pour 1 kg de matière ordinaire dans les étoiles, il y a 15 kg de matière noire, qui n’émet aucune lumière et n’interagit que par son attraction gravitationnelle.

“La nature de la matière noire reste un mystère. La plupart des scientifiques pensent qu’elle est composée de particules élémentaires inconnues”, explique le Dr Przemek Mr.óz de l’Observatoire astronomique de l’Université de Varsovie, auteur principal des deux articles. “Malheureusement, malgré des décennies d’efforts, aucune expérience (y compris les expériences menées avec le Large Hadron Collider) n’a trouvé de nouvelles particules qui pourraient être responsables de la matière noire.”

Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles provenant d’une paire de trous noirs en fusion en 2015, les expériences LIGO et Virgo ont détecté plus de 90 événements de ce type. Les astronomes ont remarqué que les trous noirs détectés par LIGO et Virgo sont généralement nettement plus massifs (20 à 100 masses solaires) que ceux connus auparavant dans la Voie Lactée (5 à 20 masses solaires).

“Expliquer pourquoi ces deux populations de trous noirs sont si différentes est l’un des plus grands mystères de l’astronomie moderne”, explique le Dr Mr.óz.

Une explication possible postule que les détecteurs LIGO et Virgo ont découvert une population de trous noirs primordiaux qui pourraient s’être formés au tout début de l’univers. Leur existence a été proposée pour la première fois il y a plus de 50 ans par le physicien théoricien britannique Stephen Hawking, et indépendamment par le physicien soviétique Yakov Zeldovich.

“Nous savons que l’univers primitif n’était pas idéalement homogène : de petites fluctuations de densité ont donné naissance aux galaxies et aux amas de galaxies actuels”, explique le Dr Mr.óz. “Des fluctuations de densité similaires, si elles dépassent un contraste de densité critique, peuvent s’effondrer et former des trous noirs.”

Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles, de plus en plus de scientifiques spéculent que ces trous noirs primordiaux pourraient contenir une fraction importante, sinon la totalité, de la matière noire.

Heureusement, cette hypothèse peut être vérifiée grâce à des observations astronomiques. Nous observons qu’il existe de grandes quantités de matière noire dans la Voie Lactée. S’il était composé de trous noirs, nous pourrions les détecter dans notre voisinage cosmique. Est-ce possible, étant donné que les trous noirs n’émettent aucune lumière détectable ?

Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, la lumière peut être courbée et déviée dans le champ gravitationnel d’objets massifs, un phénomène appelé microlentille gravitationnelle.

“La microlentille se produit lorsque trois objets (un observateur sur Terre, une source de lumière et une lentille) s’alignent de manière pratiquement idéale dans l’espace”, explique le professeur Andrzej Udalski, chercheur principal de l’enquête OGLE. “Lors d’un événement de microlentilles, la lumière de la source peut être déviée et agrandie, et nous observons un éclaircissement temporaire de la lumière de la source.”

La durée de l’éclaircissement dépend de la masse de l’objet lentille : plus la masse est élevée, plus l’événement est long. Les événements de microlentille provoqués par des objets de masse solaire durent généralement plusieurs semaines, tandis que ceux provoqués par des trous noirs 100 fois plus massifs que le soleil durent quelques années.

L’idée d’utiliser la microlentille gravitationnelle pour étudier la matière noire n’est pas nouvelle. Il a été proposé pour la première fois dans les années 1980 par l’astrophysicien polonais Bohdan Paczyński. Son idée a inspiré le lancement de trois expériences majeures : le polonais OGLE, l’américain MACHO et le français EROS. Les premiers résultats de ces expériences ont démontré que les trous noirs moins massifs qu’une masse solaire pourraient contenir moins de 10 % de matière noire. Ces observations n’étaient cependant pas sensibles aux événements de microlentilles à très longue échelle et, par conséquent, aux trous noirs massifs, similaires à ceux récemment détectés avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Dans le nouvel article de La série de suppléments du journal astrophysique, les astronomes de l’OGLE présentent les résultats d’une surveillance photométrique de près de 20 ans de près de 80 millions d’étoiles situées dans une galaxie voisine, appelée le Grand Nuage de Magellan, et de la recherche d’événements de microlentilles gravitationnelles. Les données analysées ont été collectées au cours des troisième et quatrième phases du projet OGLE de 2001 à 2020.

“Cet ensemble de données fournit les observations photométriques les plus longues, les plus vastes et les plus précises des étoiles du Grand Nuage de Magellan dans l’histoire de l’astronomie moderne”, explique le professeur Udalski.

Le deuxième article, publié dans Naturediscute des conséquences astrophysiques des découvertes.

“Si toute la matière noire de la Voie lactée était composée de trous noirs de 10 masses solaires, nous aurions dû détecter 258 événements de microlentilles”, explique le Dr Mr.óz. “Pour 100 trous noirs de masse solaire, nous nous attendions à 99 événements de microlentilles. Pour 1 000 trous noirs de masse solaire, 27 événements de microlentilles.”

En revanche, les astronomes de l’OGLE n’ont trouvé que 13 événements de microlentilles. Leur analyse détaillée démontre que tous peuvent être expliqués par les populations stellaires connues de la Voie lactée ou du Grand Nuage de Magellan lui-même, et non par les trous noirs.

“Cela indique que les trous noirs massifs ne peuvent constituer que quelques pour cent de la matière noire”, explique le Dr Mr.óz.

Les calculs détaillés démontrent que les trous noirs de 10 masses solaires peuvent comprendre au plus 1,2 % de matière noire, 100 trous noirs de masse solaire – 3,0 % de matière noire et 1 000 trous noirs de masse solaire – 11 % de matière noire.

“Nos observations indiquent que les trous noirs primordiaux ne peuvent pas constituer une fraction significative de la matière noire et expliquent simultanément les taux de fusion des trous noirs observés mesurés par LIGO et Virgo”, explique le professeur Udalski.

Par conséquent, d’autres explications sont nécessaires pour les trous noirs massifs détectés par LIGO et Virgo. Selon une hypothèse, elles se seraient formées à la suite de l’évolution d’étoiles massives à faible métallicité. Une autre possibilité implique des fusions d’objets moins massifs dans des environnements stellaires denses, comme les amas globulaires.

“Nos résultats resteront dans les manuels d’astronomie pendant des décennies”, ajoute le professeur Udalski.