Représentation d'un trou noir primordial se formant au milieu d'une mer de quarks et de gluons chauds et chargés de couleurs, une infime fraction de seconde après le Big Bang. Crédit : Kaca Bradonjić
En l’espace d’un quintillionième de seconde, l’univers pourrait avoir fait germer des trous noirs microscopiques dotés d’énormes quantités de charge nucléaire, selon MIT physiciens.
Les chercheurs du MIT suggèrent que les trous noirs primordiaux, peut-être une forme de matière noire, auraient pu se former dans les premiers instants après l'apparition des trous noirs. Big Bang et portaient des niveaux élevés d'une propriété nucléaire connue sous le nom de charge de couleur. Ces trous noirs surchargés, malgré leur brève existence, pourraient avoir eu un impact sur la cosmologie de l'univers primitif et expliquer certains phénomènes astronomiques observés aujourd'hui.
Matière noire et trous noirs primordiaux
Pour chaque kilogramme de matière que nous pouvons voir – du téléphone dans votre main aux étoiles et galaxies lointaines – il y a 5 kilogrammes de matière invisible qui imprègnent notre environnement. Cette « matière noire » est une entité mystérieuse qui échappe à toute forme d’observation directe mais qui fait sentir sa présence par son attraction invisible sur les objets visibles.
Il y a cinquante ans, le physicien Stephen Hawking proposait une idée de ce que pourrait être la matière noire : une population de trous noirs, qui pourraient s'être formés très peu de temps après le Big Bang. De tels trous noirs « primordiaux » n’auraient pas été les goliaths que nous détectons aujourd’hui, mais plutôt des régions microscopiques de matière ultradense qui se seraient formées dans le premier quintillionième de seconde suivant le Big Bang, puis se seraient effondrées et dispersées à travers le cosmos, tirant sur l’espace. entourer l’espace-temps d’une manière qui pourrait expliquer la matière noire que nous connaissons aujourd’hui.
Découvrir des trous noirs surchargés
Aujourd’hui, les physiciens du MIT ont découvert que ce processus primordial aurait également produit des compagnons inattendus : des trous noirs encore plus petits, dotés d’une quantité sans précédent d’une propriété de physique nucléaire connue sous le nom de « charge de couleur ».
Ces plus petits trous noirs « surchargés » auraient constitué un état de matière entièrement nouveau, qui s’est probablement évaporé une fraction de seconde après leur apparition. Pourtant, ils auraient pu encore influencer une transition cosmologique clé : l’époque où les premiers noyaux atomiques ont été forgés. Les physiciens postulent que les trous noirs chargés de couleur pourraient avoir affecté l’équilibre des noyaux en fusion, d’une manière que les astronomes pourraient un jour détecter grâce à de futures mesures. Une telle observation indiquerait de manière convaincante que les trous noirs primordiaux sont aujourd’hui la racine de toute la matière noire.
« Même si ces créatures exotiques à courte durée de vie ne sont plus présentes aujourd'hui, elles auraient pu affecter l'histoire cosmique d'une manière qui pourrait se manifester aujourd'hui par des signaux subtils », explique David Kaiser, professeur d'histoire des sciences à Germeshausen et professeur de physique à l'Université de Berlin. MIT. « Dans l'idée que toute la matière noire pourrait être expliquée par des trous noirs, cela nous donne de nouvelles choses à rechercher. »
Kaiser et sa co-auteure, Elba Alonso-Monsalve, étudiante diplômée du MIT, ont publié leur étude le 6 juin dans la revue Lettres d'examen physique.
Un temps avant les étoiles
Les trous noirs que nous connaissons et détectons aujourd'hui sont le produit d'un effondrement stellaire, lorsque le centre d'une étoile massive s'effondre sur lui-même pour former une région si dense qu'elle peut plier l'espace-temps de telle sorte que tout, même la lumière, y reste piégé. . De tels trous noirs « astrophysiques » peuvent être de quelques fois plus massifs que le soleil à plusieurs milliards de fois plus massifs.
Les trous noirs « primordiaux », en revanche, peuvent être beaucoup plus petits et on pense qu’ils se sont formés avant les étoiles. Avant même que l'univers ait concocté les éléments de base, sans parler des étoiles, les scientifiques pensaient que des poches de matière primordiale ultradense auraient pu s'accumuler et s'effondrer pour former des trous noirs microscopiques qui auraient pu être si denses qu'ils comprimaient la masse d'un astéroïde en un région aussi petite qu'une seule atome. L’attraction gravitationnelle de ces minuscules objets invisibles dispersés dans tout l’univers pourrait expliquer toute la matière noire que nous ne pouvons pas voir aujourd’hui.
Si tel était le cas, de quoi auraient été constitués ces trous noirs primordiaux ? C'est la question que Kaiser et Alonso-Monsalve ont abordée dans leur nouvelle étude.
« Les gens ont étudié quelle était la répartition des trou noir Les masses seraient au cours de cette production du premier univers, mais sans jamais faire de lien avec le type de choses qui seraient tombées dans ces trous noirs au moment où ils se formaient », explique Kaiser.
Des rhinocéros surchargés
Les physiciens du MIT ont d'abord examiné les théories existantes pour déterminer la répartition probable des masses des trous noirs tels qu'ils se formaient pour la première fois dans l'univers primitif.
« Nous avons réalisé qu'il existe une corrélation directe entre le moment où un trou noir primordial se forme et la masse avec laquelle il se forme », explique Alonso-Monsalve. « Et cette fenêtre de temps est absurdement précoce. »
Elle et Kaiser ont calculé que les trous noirs primordiaux devaient s'être formés dans le premier quintillionième de seconde suivant le Big Bang. Cet éclair de temps aurait produit des trous noirs microscopiques « typiques », aussi massifs qu’un astéroïde et aussi petits qu’un atome. Cela aurait également produit une petite fraction de trous noirs exponentiellement plus petits, avec la masse d’un rhinocéros et une taille bien inférieure à celle d’un seul proton.
De quoi auraient été constitués ces trous noirs primordiaux ? Pour cela, ils se sont tournés vers des études explorant la composition de l’univers primitif, et plus particulièrement vers la théorie de la chromodynamique quantique (QCD), l’étude de la façon dont les quarks et les gluons interagissent.
Dynamique quantique et formation de trous noirs
Les quarks et les gluons sont les éléments fondamentaux des protons et des neutrons – des particules élémentaires qui se sont combinées pour forger les éléments de base du tableau périodique. Immédiatement après le Big Bang, les physiciens estiment, sur la base de la CDQ, que l'univers était un espace extrêmement chaud. plasma de quarks et de gluons qui se refroidissent ensuite rapidement et se combinent pour produire des protons et des neutrons.
Les chercheurs ont découvert que, dans le premier quintillionième de seconde, l’univers serait encore une soupe de quarks et de gluons libres qui n’auraient pas encore été combinés. Tous les trous noirs formés à cette époque auraient englouti les particules non liées, ainsi qu’une propriété exotique connue sous le nom de « charge de couleur » – un état de charge que seuls les quarks et les gluons non combinés portent.
Le rôle de la charge de couleur dans la dynamique des trous noirs
« Une fois que nous avons compris que ces trous noirs se forment dans un plasma quark-gluon, la chose la plus importante que nous devions comprendre était : quelle quantité de charge de couleur est contenue dans la goutte de matière qui finira dans un trou noir primordial ? dit Alonso-Monsalve.
En utilisant la théorie QCD, ils ont déterminé la répartition de la charge de couleur qui aurait dû exister dans tout le plasma chaud et précoce. Ensuite, ils ont comparé cela à la taille d’une région qui s’effondrerait pour former un trou noir dans le premier quintillionième de seconde. Il s’avère qu’il n’y avait pas beaucoup de charge de couleur dans la plupart des trous noirs typiques à l’époque, car ils se seraient formés en absorbant un grand nombre de régions possédant un mélange de charges, ce qui aurait finalement abouti à un « neutre ». » charge.
Conclusion et implications futures
Mais les plus petits trous noirs auraient été remplis de charges colorées. En fait, ils auraient contenu la quantité maximale de tout type de charge autorisée pour un trou noir, selon les lois fondamentales de la physique. Alors que de tels trous noirs « extrêmes » font l’objet d’hypothèses depuis des décennies, jusqu’à présent, personne n’avait découvert un processus réaliste par lequel de telles bizarreries auraient pu se former dans notre univers.
Le professeur Bernard Carr de l'Université Queen Mary de Londres, expert sur le sujet des trous noirs primordiaux qui a d'abord travaillé sur le sujet avec Stephen Hawking, qualifie ces nouveaux travaux de « passionnants ». Carr, qui n'a pas participé à l'étude, affirme que les travaux « montrent qu'il existe des circonstances dans lesquelles une infime fraction de l'univers primitif peut se retrouver dans des objets dotés d'une énorme quantité de charge de couleur (au moins pendant un certain temps), exponentiellement supérieure à celle de l'univers. ce qui a été identifié dans des études précédentes sur la QCD.
Les trous noirs surchargés se seraient rapidement évaporés, mais peut-être seulement après le moment où les premiers noyaux atomiques ont commencé à se former. Les scientifiques estiment que ce processus a commencé environ une seconde après le Big Bang, ce qui aurait donné aux trous noirs extrêmes tout le temps de perturber les conditions d’équilibre qui auraient prévalu lorsque les premiers noyaux ont commencé à se former. De telles perturbations pourraient potentiellement affecter la formation de ces premiers noyaux, d’une manière qui pourrait un jour être observée.
« Ces objets ont peut-être laissé des empreintes d'observation passionnantes », réfléchit Alonso-Monsalve. « Ils auraient pu modifier l'équilibre entre ceci et cela, et c'est le genre de chose sur laquelle on peut commencer à s'interroger. »
Cette recherche a été financée en partie par le ministère américain de l'Énergie. Alonso-Monsalve est également soutenu par une bourse du Département de physique du MIT.
