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Y a-t-il des trous noirs laissés par le Big Bang?

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de "Comment mourir dans l'espace"Il a contribué cet article à Les voix d'experts de Space.com: Op-Ed & Insights.

En 2016, l'équipe LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a surpris et ravi le monde en annonçant la première découverte d'ondes gravitationnelles, émanant d'une collision de deux trous noirs il y a des milliards d'années.

Et avec la vague d'excitation (et quelques prix Nobel pour faire bonne mesure) est venue une étrange petite surprise. le trous noirs avait des masses très particulières, assez particulières pour ouvrir une possibilité fascinante: les trous noirs que LIGO a entendus entrer en collision peuvent avoir été forgés lorsque l'univers avait moins d'une seconde.

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Un guide pour faire des trous noirs

Nous savons comment les trous noirs sont faits dans l'univers moderne. Vous commencez avec un étoile, le plus gros le meilleur. Au moins huit fois la masse du soleil devrait faire l'affaire. Ensuite, vous attendez que l'étoile brûle à travers toute sa réserve d'hydrogène disponible. Cela ne devrait prendre que quelques dizaines de millions d'années. Pas grave.

Puis à la fin de sa vie, l'étoile se détruira dans un cataclysme d'énergie, un explosion de supernova. Dans les incendies de cette explosion, les densités dans le noyau peuvent atteindre un état suffisamment intense pour que rien – rien du tout – ne puisse résister à l'attraction intérieure de la gravité. Alors en même temps que la majeure partie de l'étoile explose vers l'extérieur, une fraction de celle-ci s'effondre vers l'intérieur sur elle-même, se repliant bout à bout vers l'oubli: un trou noir.

Plus l'étoile est grande, plus le trou noir est grand, ce qui rend les résultats LIGO si intéressants. Ces trous noirs en collision avaient des masses de 30 et 35 fois la masse de le soleil, respectivement. Pour faire un trou noir aussi grand, vous devez soit commencer par un monstre vraiment hideux d'une étoile – quelque part au nord de 100 fois la masse du soleil – soit vous devez les construire à partir de fusions de beaucoup de petits trous noirs.

À l'époque, les deux scénarios semblaient improbables. Les étoiles aussi grandes n'existent tout simplement pas dans l'univers (du moins, de nos jours), et les fusions ne sont pas assez courantes pour s'accumuler.

Par conséquent: peut-être que ces trous noirs avaient une origine différente.

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La machine à trous noirs Big Bang

Le premier univers était, pour le moins, un endroit fou. Des températures et des pressions inédites depuis des éons depuis. Des changements de phase qui ont secoué tout le cosmos. Des transformations qui ont réécrit les lois mêmes de la nature.

À l'époque, si les conditions étaient réunies, n'importe quelle ancienne parcelle de gaz pourrait s'être rétrécie spontanément pour former un trou noir de n'importe quelle taille: de quelque chose ne pesant que quelques kilogrammes à des milliers de fois la masse du soleil, et tout ce qui se trouve entre les deux.

Pour chaque physicien théoricien travaillant sur le problème de ces trous noirs dits primordiaux, il existe au moins un mécanisme hypothétique pour les générer, impliquant tout de théorie de l'inflation aux univers en collision.

Donc, dans un sens, c'est facile pour trous noirs primordiaux pour expliquer les premiers résultats LIGO: vous venez de trouver une théorie qui fait des trous noirs dans la bonne gamme de tailles et l'abondance, attendez quelques milliards d'années, et vous êtes lié à un événement de fusion.

Mais si vous voulez peupler l'univers de trous noirs le Big Bang, ils vont faire plus que faire chanter LIGO.

Chasse dans le noir

À quoi ressemblerait un univers inondé de trous noirs primordiaux? C'est la question à un million de dollars, à laquelle nous devons répondre si nous voulons tester cette hypothèse.

D'une part, les trous noirs peuvent s'écraser au hasard sur d'autres choses, attirer gravitationnellement d'autres choses et provoquer généralement un chaos. Des trous noirs de masse kilogramme frappant la Terre pourraient déclencher des tremblements de terre. Un trou noir silencieux peut séparer des paires d'étoiles binaires ou perturber des galaxies naines entières. Un trou noir enfonçant dans un étoile à neutrons pourrait déclencher une terrible explosion. Même l'hypothétique Planet Nine pourrait être un trou noir pas plus grosse qu'une balle de tennis.

Et en bonus en ce qui concerne la détectabilité potentielle, les trous noirs ne sont pas entièrement noirs à 100%: ils peuvent briller, très faiblement, à travers le processus de mécanique quantique appelé Rayonnement Hawking. Les gros trous noirs ne brillent guère du tout: un la masse de notre soleil rayonne autour d'un photon unique chaque année, prenant 10 ^ 60 ans pour perdre toute sa masse. Mais les trous noirs plus petits peuvent disparaître en beaucoup moins de temps, libérant une explosion d'énergie dans le processus.

L'explosion de trous noirs peut avoir perturbé l'univers primitif, modifié l'abondance des éléments ou l'apparence du fond de micro-ondes cosmique. Ou ils peuvent être responsables de certains des sursauts gamma que nous voyons dans notre ciel.

Hélas, malgré toutes nos tentatives, nous ne pouvons pas concilier l'existence de trous noirs primordiaux avec l'univers que nous voyons. Pour chaque avenue d'observation possible, les trous noirs primordiaux provoquent tellement de chaos qu'il serait perceptible pour nous.

En d'autres termes, aussi difficile que cela puisse être d'expliquer les masses des trous noirs en fusion dont LIGO a été témoin, si vous voulez qu'un univers avec ces trous noirs soit primordial, il serait détectable par d'autres moyens.

En savoir plus en écoutant l'épisode "Le Big Bang a-t-il fait des trous noirs?" sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Robert K., Peter N. et Raul P. pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.

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