La théorie quantique révèle une surprenante pénurie de trous noirs

La théorie quantique des champs révèle des failles potentielles dans les modèles prédisant de nombreux trous noirs primordiaux, suggérant qu'il en existe moins, ce qui pourrait avoir un impact sur les théories de la matière noire et de la structure de l'univers.

Les chercheurs ont appliqué la théorie quantique des champs, bien comprise et hautement vérifiée, généralement appliquée à l’étude du très petit, à une nouvelle cible, l’univers primitif. Leur exploration a conduit à la conclusion qu’il devrait y avoir beaucoup moins de trous noirs miniatures que ce que suggèrent la plupart des modèles, même si des observations permettant de le confirmer devraient bientôt être possibles. Le type spécifique de trou noir en question pourrait être un prétendant à la matière noire.

L'étude, publiée récemment dans Lettres d'examen physiquea été menée par des chercheurs du Centre de recherche sur l'univers primitif (RESCEU) et de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU, WPI) de l'Université de Tokyo.

Comprendre les origines de l'univers

Explorer l’univers peut être une tâche ardue, alors assurons-nous que nous sommes tous sur la même longueur d’onde. Bien que les détails soient flous, le consensus général parmi les physiciens est que l'univers a environ 13,8 milliards d'années, a commencé avec fracas, s'est développé rapidement au cours d'une période appelée inflation, et à un moment donné, il est passé d'homogène à contenant des détails et une structure.

La majeure partie de l'univers est vide, mais malgré cela, elle semble être beaucoup plus lourde que ce que nous pouvons expliquer – nous appelons cet écart matière noire, et personne ne sait ce que cela pourrait être, mais les preuves montrent qu'il s'agit de la matière noire. il peut s'agir de trous noirs, en particulier d'anciens.

Trous noirs primordiaux et matière noire

« Nous les appelons trous noirs primordiaux (PBH), et de nombreux chercheurs pensent qu'ils sont de bons candidats pour la matière noire, mais il faudrait qu'il y en ait beaucoup pour satisfaire cette théorie », a déclaré Jason Kristiano, étudiant diplômé.

« Ils sont également intéressants pour d'autres raisons, car depuis la récente innovation de l'astronomie des ondes gravitationnelles, des découvertes de systèmes binaires ont été faites. trou noir fusions, ce qui peut s’expliquer si les PBH existent en grand nombre. Mais malgré ces fortes raisons expliquant leur abondance attendue, nous n’en avons pas vu directement, et nous disposons désormais d’un modèle qui devrait expliquer pourquoi c’est le cas.

Défis des modèles PBH actuels

Kristiano et son superviseur, le professeur Jun'ichi Yokoyama, actuellement directeur de Kavli IPMU et RESCEU, ont exploré de manière approfondie les différents modèles de formation de PBH, mais ont constaté que les principaux concurrents ne correspondent pas aux observations réelles du fond diffus cosmologique (CMB). , qui est un peu comme une empreinte digitale restante du Big Bang explosion marquant le début de l'univers. Et si quelque chose n’est pas d’accord avec des observations solides, soit cela ne peut pas être vrai, soit ne peut, au mieux, donner qu’une partie du tableau.

Dans ce cas, l’équipe a utilisé une nouvelle approche pour corriger le modèle principal de formation de PBH à partir de l’inflation cosmique afin qu’il s’aligne mieux sur les observations actuelles et puisse être vérifié davantage avec les observations à venir des observatoires d’ondes gravitationnelles terrestres du monde entier.

Aperçus théoriques de l’inflation cosmique

« Au début, l’univers était incroyablement petit, bien plus petit que la taille d’un simple objet. atome. L’inflation cosmique a rapidement augmenté ce chiffre de 25 ordres de grandeur. À cette époque, les ondes traversant cet espace minuscule pouvaient avoir des amplitudes relativement grandes mais des longueurs d’onde très courtes. Ce que nous avons découvert, c’est que ces ondes minuscules mais fortes peuvent se traduire par une amplification autrement inexplicable d’ondes beaucoup plus longues que nous observons dans le CMB actuel », a déclaré Yokoyama.

« Nous pensons que cela est dû à des cas occasionnels de cohérence entre ces premières ondes courtes, qui peuvent être expliqués à l’aide de la théorie quantique des champs, la théorie la plus robuste dont nous disposons pour décrire les phénomènes quotidiens tels que les photons ou les électrons. Alors que les ondes courtes individuelles seraient relativement impuissantes, des groupes cohérents auraient le pouvoir de remodeler des ondes beaucoup plus grandes qu’eux. Il s’agit d’un cas rare où une théorie de quelque chose à une échelle extrême semble expliquer quelque chose à l’extrémité opposée de l’échelle.

Implications pour le PBH en tant que matière noire

Si, comme le suggèrent Kristiano et Yokoyama, les premières fluctuations à petite échelle de l’univers affectent certaines des fluctuations à plus grande échelle que nous observons dans le CMB, cela pourrait modifier l’explication standard des structures grossières de l’univers. Mais aussi, étant donné que nous pouvons utiliser les mesures de longueurs d'onde dans le CMB pour limiter efficacement l'étendue des longueurs d'onde correspondantes dans l'univers primitif, cela contraint nécessairement tout autre phénomène qui pourrait s'appuyer sur ces longueurs d'onde plus courtes et plus fortes. Et c’est là que les PBH entrent en jeu.

« Il est largement admis que l'effondrement de longueurs d'onde courtes mais fortes dans l'univers primitif est à l'origine de la création de trous noirs primordiaux », a déclaré Kristiano. « Notre étude suggère qu'il devrait y avoir beaucoup moins de PBH que ce qui serait nécessaire s'ils sont effectivement de bons candidats pour les événements de matière noire ou d'ondes gravitationnelles. »

Observations en cours et perspectives futures

Au moment de la rédaction de cet article, les observatoires mondiaux d'ondes gravitationnelles, LIGO aux États-Unis, Virgo en Italie et KAGRA au Japon sont en pleine mission d'observation visant à observer les premiers petits trous noirs, probablement des PBH. Dans tous les cas, les résultats devraient offrir à l’équipe des preuves solides pour l’aider à affiner davantage sa théorie.