Vue d'artiste d'un événement de microlentilles provoqué par un trou noir observé depuis la Terre vers le Grand Nuage de Magellan. La lumière d'une étoile d'arrière-plan située dans le LMC est courbée par un trou noir primordial putatif (lentille) dans le halo galactique et amplifiée lorsqu'elle est observée depuis la Terre. La microlentille provoque une variation très caractéristique de la luminosité de l'étoile de fond, permettant de déterminer la masse et la distance de la lentille. Crédit : J. Skowron / OGLE. Image de fond du Grand Nuage de Magellan : générée avec bsrender écrit par Kevin Loch, en utilisant la base de données ESA/Gaia. Crédit : J. Skowron / OGLE. Image de fond du Grand Nuage de Magellan : générée avec bsrender écrit par Kevin Loch, en utilisant la base de données ESA/Gaia
Une population de trous noirs massifs dont l'origine est l'un des plus grands mystères de l'astronomie moderne a été détectée par le LIGO et Vierge gdétecteurs d'ondes ravitationnelles.
Selon une hypothèse, ces objets se seraient formés au tout début de l’Univers et constitueraient la matière noire, une substance mystérieuse remplissant l’Univers. Une équipe de scientifiques a annoncé les résultats d'observations étalées sur près de 20 ans, indiquant que des trous noirs aussi massifs pourraient contenir au plus quelques pour cent de matière noire. Par conséquent, une autre explication est nécessaire pour les sources d’ondes gravitationnelles.
Les résultats de l'étude ont été publiés dans deux articles, dans Nature et le Journal d'astrophysique Série de supplémentsL'étude a été menée par des scientifiques de l'étude OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) de l'Observatoire astronomique de l'Université de Varsovie.
Comprendre la composition de la matière noire de l'Univers
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 le voie Lactéepour chaque livre de matière ordinaire dans les étoiles, il y a 15 livres 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'il est composé de particules élémentaires inconnues », explique le Dr Przemek Mróz 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. »
Événements de microlentilles attendus et observés par des objets massifs vers le Grand Nuage de Magellan, vus à travers le halo de la Voie Lactée. Si la matière noire de l’Univers était constituée de trous noirs primordiaux putatifs, plus de 500 événements de microlentilles seraient détectés lors de l’enquête OGLE dans les années 2001-2020. En réalité, le projet OGLE n’a enregistré que 13 détections d’événements de microlentille, très probablement provoqués par des étoiles régulières. Crédit : J. Skowron / OGLE. Image de fond du Grand Nuage de Magellan : générée avec bsrender écrit par Kevin Loch, en utilisant la base de données ESA/Gaia. Crédit : J. Skowron / OGLE. Image de fond du Grand Nuage de Magellan : générée avec bsrender écrit par Kevin Loch, en utilisant la base de données ESA/Gaia
Le mystère et le potentiel des trous noirs primordiaux
Depuis la première détection de ondes gravitationnelles à partir d'une paire de trous noirs fusionnés 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 Mróz.
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 célèbre 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 Mróz. « 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.
Vue d'artiste du Grand Nuage de Magellan reflété par des objets massifs dans le halo de la Voie lactée. Crédit : J. Skowron / OGLE
Explorer la matière noire avec des techniques de microlentille
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 microlentilles 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 dureraient 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 le célèbre 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 microlentille à très longue échelle et, par conséquent, aux trous noirs massifs, similaires à ceux récemment détectés avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Nuit au-dessus de l'Observatoire de Las Campanas au Chili (exploité par la Carnegie Institution for Science). La station d'observation du projet OGLE et les Grands et Petits Nuages de Magellan. Crédit : Krzysztof Ulaczyk
Études observationnelles à long terme par OGLE
Dans le nouvel article du Série de suppléments de revues astrophysiques, 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.
Implications des découvertes récentes sur la matière noire
Le deuxième article, publié dans Naturediscute des conséquences astrophysiques de ces 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 Mróz. « 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 détecté que 13 événements de microlentilles. Leur analyse détaillée démontre que tous ces phénomènes 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 Mróz.
Les calculs détaillés démontrent que les trous noirs de 10 masses solaires peuvent comprendre au plus 1,2 % de matière noire, les trous noirs de 100 masses solaires – 3,0 % de la matière noire et les trous noirs de 1 000 masses solaires – 11 % de la matière noire.
« Nos observations indiquent que les trous noirs primordiaux ne peuvent pas constituer une fraction significative de la matière noire et, simultanément, expliquer les phénomènes observés. trou noir taux de fusion 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.
