Outre les particules comme les neutrinos stériles, les axions et les particules massives faiblement en interaction (WIMP), un candidat de premier plan pour la matière noire froide de l'univers sont des trous noirs primordiaux – des trous noirs créés à partir de conglomérations extrêmement denses de particules subatomiques au cours des premières secondes après le Big Bang.
Les trous noirs primordiaux (PBH) sont classiques stables, mais comme le montre Stephen Hawking en 1975, ils peuvent s'évaporer via des effets quantiques, rayonnant presque comme un corps noir. Ainsi, ils ont une vie; Il est proportionnel au cube de leur masse initiale. Comme cela fait 13,8 milliards d'années depuis le Big Bang, seuls les PBH avec une masse initiale d'un billion de kilogrammes ou plus auraient dû survivre aujourd'hui.
Cependant, il a été suggéré que la durée de vie d'un trou noir pourrait être considérablement plus longue que la prédiction de Hawking en raison de l'effet de la charge de la mémoire, où la charge d'informations transportée par un trou noir la stabilise contre l'évaporation.
Ainsi, les PBH auparavant considérés comme s'évaporés pourraient encore être présents comme froids, de matière noire, plus clairs que 10 millions de kilogrammes.
Une équipe de recherche du Japon a maintenant proposé de détecter la matière noire hypothétique PBH en étudiant les ondes gravitationnelles induites par les perturbations de courbure primordiale qui ont produit le PBHS. Leur travail est publié dans Revue physique D.
« Cette recherche est la première au monde à proposer que les preuves du PBHS sont la matière noire seront confirmées par les futures observations des vagues gravitationnelles », a déclaré Kazunori Kohri de l'Observatoire astronomique national du Japon au Tokyo et affilié à plusieurs autres organisations de recherche physique du pays.
Malgré un grand nombre (désormais) de recherches expérimentales, les physiciens n'ont pas encore vu de signes de matière noire dans les accélérateurs de particules, dans les détecteurs souterrains et sous glace et via l'exploration de l'espace, directement ou indirectement.
« Si cette situation se poursuit, le scénario cauchemardesque de la matière noire, à savoir le scénario avec seulement une matière noire en interaction gravitationnelle, deviendra important », écrivra Kohri et ses co-auteurs. La matière noire macroscopique pourrait être la réponse, comme le scénario PBH si les PBH ont survécu aujourd'hui.
La conclusion de Hawking selon laquelle les trous noirs rayonnent signifie qu'ils finiront par s'évaporer complètement et cesseront d'exister. Mais le calcul de Hawking a supposé un trou noir semi-classique pendant toute sa durée de vie, ignorant la réaction du dos quantique des particules créées sur le trou noir évaporant.
Le traitement complet révèle un effet de charge de la mémoire, découvert par la physicien théorique géorgienne Gia Dvali en 2018. En considérant un trou noir comme un condensat de gravitons, les porteurs présumés de la force gravitationnelle, les états micro quantiques sont responsables de l'entropie du trou noir.
La «mémoire» fait référence aux informations stockées dans le trou noir; Cette information stockée stabilise le trou noir, ce qui le rend plus résistant à la décroissance. Un état du trou noir se stabilise par le fardeau de sa propre mémoire. L'effet devient important lorsqu'un trou noir a perdu environ la moitié de sa masse initiale.
« Si nous croyons à l'effet de la charge de la mémoire, qui est un sujet brûlant dans le domaine de la gravité quantique », a déclaré Kohri, « nous pouvons construire une théorie avec une extrême incertitude. »
Il n'est pas encore complètement clair ce qui arrive à un trou noir lorsque le fardeau de la mémoire devient significatif – possible, l'évaporation de colportage est supprimée, ou peut-être que le trou noir se désintègre dans des grumeaux et des ondes gravitationnelles.
Kohri et ses co-auteurs se sont concentrés sur la première possibilité. Dvali et ses collaborateurs ont fait valoir que le taux d'émission de Hawking est supprimé par une puissance entière de l'entropie du trou noir.
Les trous noirs ont une énorme quantité d'entropie; Un trou noir Schwarzschild avec une masse de soleil a une entropie de 1077 Dans les unités de la constante de Boltzmann. En comparaison, l'entropie du soleil est de 1058.
Ainsi, la durée de vie d'un trou noir est grandement étendue. Les contraintes cosmologiques mettent les limites inférieures et supérieures aux PBH en jeu: Kohri et ses collègues se concentrent donc sur les PBH avec une masse initiale supérieure à 100 kg jusqu'à 10 millions de kg.
Un mécanisme de production populaire de PBH est l'effondrement gravitationnel des patchs cosmologiques précoces avec des perturbations de courbure d'espace-temps extrêmement améliorées. Des quantités importantes d'ondes gravitationnelles sont également induites dans cette ère à prédominance radiographique de l'univers, avec une fréquence typique dans une correspondance individuelle avec la masse initiale de la PBH.
En étudiant les propriétés d'observation de ces ondes gravitationnelles dans l'univers actuel, des calculs étendus ont abouti aux spectres des ondes gravitationnelles qui existent aujourd'hui en fonction de la fréquence, ainsi que du rapport signal / bruit attendu pour un an d'observations avec des observatoires d'ondes gravitationnelles futurs proposés.
Leurs calculs des spectres d'ondes gravitationnels induits attendus révèlent que la matière noire suffisamment lourde de la mémoire peut être observable aujourd'hui car ils induisent des ondes gravitationnelles relativement basse fréquence.
Les futurs observatoires sont conçus dans cet objectif, tels que la LISA basée sur l'espace (antenne spatiale interféromètre laser), Decigo (Deci-Hertz Interferomètre à vagues gravitationnelles) au Japon, l'Observatoire du Big Bang (BBO) proposé par l'agence spatiale européenne (ESA) pour remplacer LISA lorsqu'il a suivi son cours et d'autres.
Kohri et ses collègues ont produit des graphiques des spectres attendus en termes de fréquence des vagues et étendre leurs équations pour prédire les rapports signal / bruit qui seraient observés dans les observations réelles.
Les chercheurs présentent également des critères par lesquels les astronomes d'ondes gravitationnelles pourraient confirmer ou exclure le scénario de la matière noire PBH crampotée par la mémoire. Pourtant, la dynamique non linéaire de la matière noire PBH couverte de mémoire déterminera la forme détaillée des ondes gravitationnelles.
La fréquence maximale des ondes induites peut atteindre 30 mégahertz, 3 000 fois plus élevée que le pic de 10 kilohertz, les deux ligos aux États-Unis peuvent détecter. Cependant, les calculs montrent qu'il existe un sentier infrarouge dans les spectres qui implique des fréquences de pic inférieures.
Ceux-ci pourraient être détectés par l'Explorateur cosmique proposé, un observatoire d'ondes gravitationnelles au sol de troisième génération qui aurait la même conception en L que LIGO mais avec des bras interféromètres de 40 km de long au lieu de 4 km de Ligo.
