La "matière noire" invisible dans l'espace oblige les galaxies à évoluer

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Plus le mystère de la matière noire reste irrésolu, plus des hypothèses exotiques sur sa nature apparaissent, y compris l'idée la plus récente de l'héritage des trous noirs géants de l'univers précédent.

Pour savoir que quelque chose existe, il n'est pas nécessaire de le voir. Ainsi, une fois, selon l'influence gravitationnelle sur le mouvement d'Uranus, Neptune et Pluton ont été découverts, et aujourd'hui une recherche est en cours pour une hypothétique planète X aux confins du système solaire. Mais que se passe-t-il si nous trouvons une telle influence partout dans l'Univers ? Prenez les galaxies, par exemple. Il semblerait que si le disque galactique tourne, la vitesse des étoiles devrait diminuer avec l'augmentation de l'orbite. C'est par exemple le cas des planètes du système solaire: la Terre tourne autour du Soleil à 29,8 km/s, et Pluton - à 4,7 km/s. Cependant, déjà dans les années 1930, les observations de la nébuleuse d'Andromède ont montré que la vitesse de rotation de ses étoiles reste presque constante, quelle que soit leur périphérie. Cette situation est typique des galaxies et, entre autres raisons, elle a conduit à l'émergence du concept de matière noire.

Carnaval des problèmes

On pense que nous ne la voyons pas directement: cette substance mystérieuse n'interagit pratiquement pas avec les particules ordinaires, y compris elle n'émet ni n'absorbe de photons, mais nous pouvons la remarquer par l'effet gravitationnel sur d'autres corps. Les observations des mouvements des étoiles et des nuages de gaz permettent de compiler des cartes détaillées du halo de matière noire entourant le disque de la Voie lactée, parlant du rôle important qu'il joue dans l'évolution des galaxies, des amas et de l'ensemble à grande échelle structure de l'Univers. Cependant, d'autres difficultés commencent. Quelle est cette mystérieuse matière noire ? En quoi consiste-t-il et quelles propriétés ont ses particules ?

Pendant de nombreuses années, les WIMPs ont été les principaux candidats à ce rôle - des particules hypothétiques qui sont incapables de participer à des interactions autres que gravitationnelles. Ils essaient de les détecter à la fois indirectement, par les produits d'interactions rares avec la matière ordinaire, et directement, à l'aide d'instruments puissants, dont le Grand collisionneur de hadrons. Hélas, dans les deux cas, il n'y a aucun résultat.

« Le scénario dans lequel le LHC ne trouve que le boson de Higgs et rien d'autre a été qualifié de 'scénario cauchemardesque' pour une raison », explique Sabine Hossenfelder, professeur à l'Université de Francfort. "Le fait qu'aucun signe d'une nouvelle physique n'ait été trouvé me sert de signal sans ambiguïté: quelque chose ne va pas ici." D'autres scientifiques ont également capté ce signal. Après la publication des résultats négatifs des recherches de traces de matière noire à l'aide du LHC et d'autres instruments, l'intérêt pour des hypothèses alternatives sur sa nature est clairement croissant. Et certaines de ces solutions semblent encore plus exotiques que le carnaval brésilien.

Une myriade de trous

Et si les WIMP n'existaient pas ? Si la matière noire est une matière que nous ne pouvons pas voir, mais que nous voyons les effets de sa gravité, alors ce ne sont peut-être que des trous noirs ? Théoriquement, aux premiers stades de l'évolution de l'Univers, ils auraient pu se former en grand nombre - non pas à partir d'étoiles géantes mortes, mais à la suite de l'effondrement de la matière superdense et chaude qui remplissait l'espace incandescent. Un problème: jusqu'à présent, aucun trou noir primordial n'a été trouvé, et on ne sait pas avec certitude s'ils ont jamais existé. Cependant, il existe suffisamment d'autres trous noirs dans l'Univers qui conviennent à ce rôle.

Les observations de la sonde spatiale lointaine Voyager 1 n'ont révélé aucune trace de rayonnement de Hawking, ce qui pourrait indiquer l'apparition de trous noirs primordiaux de taille microscopique. Cependant, cela n'exclut pas l'existence d'objets similaires plus grands. Depuis 2015, l'interféromètre LIGO a déjà enregistré 11 ondes gravitationnelles, et 10 d'entre elles ont été provoquées par des fusions de paires de trous noirs avec des masses de dizaines de masses solaires. Cela en soi est extrêmement inattendu, car de tels objets se forment à la suite d'explosions de supernova et l'étoile décédée perd la majeure partie de sa masse au cours du processus. Il s'avère que les précurseurs des trous fusionnés étaient des étoiles de tailles vraiment cyclopéennes, qui n'auraient pas dû naître dans l'Univers depuis longtemps. Un autre problème est créé par la formation de systèmes binaires par eux. Une explosion de supernova est un événement si puissant que tout objet proche sera projeté au loin. En d'autres termes, LIGO a détecté des ondes gravitationnelles provenant d'objets dont l'apparition reste un mystère.

Fin 2018, de tels objets ont été approchés par l'astrophysicien du Greenwich Institute of Science and Technology Nikolai Gorkavy et le prix Nobel John Mather. Leurs calculs ont montré que des trous noirs avec des masses de dizaines de masses solaires pourraient bien additionner un halo galactique, qui resterait pratiquement invisible pour l'observation et, en même temps, créerait toutes les anomalies caractéristiques dans la structure et le mouvement des galaxies. Il semblerait, d'où sur la périphérie lointaine de la galaxie vient le nombre requis de ces grands trous noirs ? Après tout, la grande majorité des étoiles massives naissent et meurent plus près du centre. La réponse que donnent Gorkavy et Mather est presque incroyable: ces trous noirs ne sont pas « venus », dans un certain sens ils ont toujours existé, depuis le tout début de l'Univers. Ce sont les vestiges du cycle précédent dans une séquence sans fin d'expansions et de contractions du monde.

La ligne continue montre la vitesse orbitale réelle des étoiles et du gaz en orbite autour du centre de la galaxie; pointillé - attendu en l'absence de l'influence de la matière noire.

Reliques de la renaissance

En général, le Big Bounce n'est pas un nouveau modèle en cosmologie, bien que non prouvé, existant sur un pied d'égalité avec de nombreuses autres hypothèses sur l'évolution du cosmos. Il est possible que dans la vie de l'univers, les périodes d'expansion soient en effet remplacées par la contraction, le "Big Collapse" - et une nouvelle explosion-rebond, la naissance du monde de la prochaine génération. Cependant, dans le nouveau modèle, ces cycles sont conduits par des trous noirs, agissant à la fois comme matière noire et énergie noire - une substance ou une force mystérieuse provoquant l'expansion accélérée de notre Univers.

On suppose qu'en absorbant de la matière et en fusionnant les uns avec les autres, les trous noirs peuvent accumuler de plus en plus de la masse totale de l'Univers. Cela devrait conduire à un ralentissement de son expansion puis à une contraction. D'autre part, lorsque les trous noirs fusionnent, une partie importante de leur masse est perdue avec l'énergie des ondes gravitationnelles. Par conséquent, le trou résultant sera plus léger que la somme de ses termes antérieurs (par exemple, la première onde gravitationnelle enregistrée par LIGO est née lorsque des trous noirs de 36 et 29 masses solaires fusionnent avec la formation d'un trou avec une masse de "seulement " 62 masses solaires). Ainsi, l'Univers peut également perdre de la masse, se contracter et se remplir de trous noirs toujours plus grands, dont l'un des plus grands - le central.

Enfin, après une longue série de fusions de trous noirs, lorsqu'une partie importante de la masse de l'Univers « fuit » sous forme d'ondes gravitationnelles, il commencera à se disperser dans toutes les directions. De l'extérieur, cela ressemblera à une explosion - le Big Bang. Contrairement à l'image classique du Big Rebound, la destruction complète du monde précédent ne se produit pas dans un tel modèle, et le nouvel Univers hérite directement de certains objets du parent. Tout d'abord, ce sont tous les mêmes trous noirs, prêts à y jouer à nouveau les deux rôles principaux - à la fois la matière noire et l'énergie noire.

Grande ancêtre

Ainsi, dans cette image inhabituelle, la matière noire s'avère être de grands trous noirs, hérités de l'Univers à l'Univers. Mais il ne faut pas oublier le trou noir « central », qui devrait se former dans chacun de ces mondes à la veille de sa mort et persister dans le suivant. Les calculs des astrophysiciens ont montré que sa masse dans l'espace d'aujourd'hui peut atteindre un incroyable 6 x 1051 kg, 1/20 de la masse de toute la matière baryonique, et augmenter continuellement. Sa croissance peut conduire à une expansion toujours plus rapide de l'espace-temps et se manifester par une expansion accélérée de l'Univers.

Bien entendu, la présence d'une telle masse cyclopéenne devrait conduire à l'apparition d'inhomogénéités notables dans la structure à grande échelle de l'Univers. Il existe déjà un candidat pour une telle hétérogénéité - l'Axe du Mal astronomique. Ce sont des signes relativement faibles mais très alarmants de l'anisotropie de l'Univers - la structure qui s'y manifeste aux plus grandes échelles et n'est en aucun cas d'accord avec les vues classiques sur le Big Bang et tout ce qui s'est passé après lui.

En cours de route, l'hypothèse exotique résout également une autre énigme astronomique - le problème de l'apparition précoce et inattendue de trous noirs supermassifs. De tels objets sont situés au centre de grandes galaxies et, par des moyens inconnus, ont réussi à gagner en masse en millions et même en milliards de masses solaires déjà au cours des 1 à 2 premiers milliards d'années d'existence de l'Univers. On ne sait pas où ils pourraient, en principe, trouver autant de substance, et encore plus quand ils pourraient avoir le temps de l'absorber. Mais dans le cadre de l'idée des trous noirs "hérités", ces questions sont supprimées, car leurs embryons pourraient nous parvenir de l'Univers passé.

Il est dommage que l'hypothèse extravagante de Gorkavy ne soit encore qu'une hypothèse. Pour qu'elle devienne une théorie à part entière, il faut que ses prédictions coïncident avec des données d'observation - et avec celles qui ne peuvent être expliquées par les modèles traditionnels. Bien sûr, les recherches futures permettront de comparer les calculs fantastiques avec la réalité, mais cela n'arrivera évidemment pas dans un avenir proche. Par conséquent, alors que les questions sur l'endroit où la matière noire est cachée et ce qu'est l'énergie noire restent sans réponse.