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La matière noire pourrait être responsable d’énormes trous noirs à l’aube des temps

by Nouvelles

Au fur et à mesure que nous acquérons une plus grande capacité à scruter de plus en plus profondément dans l’Univers, nous avons découvert quelque chose de très surprenant : Supermassif trous noirs des millions à des milliards de fois la masse du Soleil, avant même que l’Univers n’atteigne 10 pour cent de son âge actuel.

C’est tout à fait l’énigme cosmologique. Compte tenu de ce que nous savons du taux de croissance des trous noirs, il n’aurait pas dû y avoir assez de temps depuis le Big Bang pour eux de devenir si énormes. Mais leur présence est indéniable – donc quelque chose d’étrange doit se préparer.

Selon de nouvelles recherches, ce quelque chose pourrait être l’une des choses les plus étranges de l’Univers : matière noire.

« On peut penser à deux raisons [why the early Universe black holes are so massive], ” a déclaré le physicien et astronome Hai-Bo Yu de l’Université de Californie Riverside.

“La graine – ou “bébé” – le trou noir est soit beaucoup plus massif, soit il se développe beaucoup plus vite que nous le pensions, ou les deux. La question qui se pose alors est de savoir quels sont les mécanismes physiques pour produire un trou noir suffisamment massif ou atteindre un taux de croissance assez rapide ?”

La matière noire est l’un des plus grands mystères de l’Univers. On ne sait pas de quoi il s’agit, ni de quoi il est fait. La seule façon dont il interagit avec la matière baryonique normale de l’Univers – c’est de cette substance que tout ce que nous pouvons voir est fait – est gravitationnelle.

Parce qu’il interagit de manière gravitationnelle, nous pouvons observer des effets gravitationnels dans l’Univers, tels que la rotation des galaxies et la façon dont la lumière se courbe le long d’un champ gravitationnel puissant, et soustraire l’effet gravitationnel de la matière normale pour déterminer la teneur en matière noire. Et il y en a beaucoup. On estime que 85 % de toute la matière de l’Univers est de la matière noire.

La plupart des galaxies résident dans un halo de matière noire ; on pense qu’il est vital pour leur formation. Un modèle pour la formation de trous noirs supermassifs est l’effondrement direct d’un nuage dense de gaz. Yu et ses collègues se sont demandé s’il pourrait y avoir une autre contribution.

“Ce mécanisme (…) ne peut pas produire un trou noir de graine suffisamment massif pour s’adapter aux trous noirs supermassifs nouvellement observés – à moins que le trou noir de graine n’ait connu un taux de croissance extrêmement rapide.” Yu a dit.

“Notre travail fournit une explication alternative : un halo de matière noire à interaction automatique subit une instabilité gravothermique et sa région centrale s’effondre dans un trou noir de graine.”

Pour autant que nous puissions le dire jusqu’à présent, la matière noire n’interagit que gravitationnellement avec la matière baryonique, mais elle peut être capable d’interagir avec elle-même.

Le scénario de l’équipe commence par la formation d’un tel halo de matière noire, se réunissant gravitationnellement au début de l’Univers. L’attraction vers l’intérieur de la gravité rivaliserait avec la poussée vers l’extérieur de la chaleur et de la pression ; pour la matière noire sans interaction automatique, les particules se condensant vers le centre du halo accéléreraient sous l’augmentation de la gravité et reculeraient sous la pression plus élevée, car elles étaient incapables de transférer leur énergie à d’autres particules.

Les particules de matière noire à interaction automatique, cependant, seraient capables de transférer de l’énergie à d’autres particules, introduisant une friction dans le fluide de matière noire en rotation. Cela entraînerait un ralentissement des particules, réduisant le moment angulaire et rétrécissant le halo central de sorte qu’il finirait par s’effondrer sous sa propre masse pour former la graine d’un trou noir.

À partir de ce point, la graine pourrait croître en accrétant de la matière baryonique, ont déclaré les chercheurs. Et, bien que la « graine » de matière noire puisse avoir une masse suffisamment élevée pour permettre au trou noir de se développer rapidement, les deux formes de matière sont nécessaires.

“Dans de nombreuses galaxies, les étoiles et le gaz dominent leurs régions centrales”, Yu a expliqué.

“Ainsi, il est naturel de se demander comment la présence de cette matière baryonique affecte le processus d’effondrement. Nous montrons que cela accélérera le début de l’effondrement. Cette caractéristique est exactement ce dont nous avons besoin pour expliquer l’origine des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif. Les auto-interactions conduisent également à une viscosité qui peut dissiper le moment angulaire du halo central et aider davantage le processus d’effondrement. “

L’équipe espère que les futurs instruments, encore plus sensibles, seront capables de localiser les galaxies primitives de l’Univers avec une gamme de luminosités en dehors des capacités de nos télescopes actuels.

Cela devrait pouvoir aider à valider leur modèle, un résultat qui nous aiderait non seulement à résoudre le problème des trous noirs supermassifs de l’Univers primitif, mais la nature mystérieuse de la matière noire.

La recherche a été publiée dans Les lettres du journal astrophysique.

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