dimanche 30 septembre 2012

Trous Noirs Primordiaux et Matière Noire

Si je vous dis que les micro trous noirs primordiaux n'existent probablement pas, vous me croyez ? C'est en tout cas ce qu'ont cherché à montrer un physicien belge et ses collègue russes. Il ont plus exactement  cherché à calculer quelle pouvait être la fraction de ces types d'objets (sombres par nature) dans le total de la matière sombre.
La réponse est nette : peanuts.


Les trous noir primordiaux sont formés par des fluctuations de densité dans l'univers très jeune. Et si certains de ces trous noirs ont survécu depuis lors, ils doivent participer naturellement à une fraction de la matière noire (ou sombre, mais là, plutôt noire).
Ces trous noirs sont tout petits en taille : un rayon d'à peine 10-8 cm, la taille d'un noyau d'atome, pour une masse d'environ 1020 grammes.
simulation d'un TNP traversant une étoile (Princeton University)

Les trous noirs de masse plus petite, inférieure à 5 1014 g ont des durées de vies plus courte que l'âge de l'Univers, du au rayonnement Hawking, qui les fait s'évaporer. Ceux-là ne peuvent ainsi pas participer du tout à la matière sombre.
Les trous noirs de masse un peu plus grande (1015 g) peuvent produire des photons gamma par rayonnement Hawking toujours, et les observations de rayonnement gamma galactique par le satellite EGRET ont permis de fixer une limite supérieure pour ce type de trous noirs : globalement, les TN de masse inférieure à 1016 g ne peuvent pas représenter plus de 1% de la masse sombre totale...

Si on monte un peu en masse, au delà de 7. 1016, l'évaporation par rayonnement Hawking ne fonctionne plus. Mais nous connaissons d'autres contraintes pour des trous noirs de masse supérieure à 1026 g :
Entre 1026 g et 1034 g  : les données de micro lensing (expérience EROS) indiquent une fraction maximale de l'ordre de 8%
Entre 1033 g et 1040 g : là, la contrainte est fournie par les mesures fond diffus cosmologique : fraction maximale de 10-7 de la matière noire...

On constate que les chiffres sont faibles, voire très faibles, mais on voit aussi qu'on connait très mal ce qui se passe dans une grande plage de masse qui va en gros de 1018 g et 1026 grammes.


Pour apporter des contraintes sur les trous noirs de masse comprise dans cette plage encore inexplorée, l'équipe russo-belge a eu l'idée d'utiliser l'évolution des étoiles.Il se trouve que lors de leur formation, les étoiles peuvent littéralement capturer de tels micro trous noirs. Et ces trous noirs minuscules peuvent rester au cœur de l'étoile sans qui ne se passe grand chose. Les théoriciens ont calculé qu'il commence à se passer des choses visibles quand l'étoile abritant un trou noir primordial devient très dense, c'est à dire quand elle arrive en fin de vie et qu'elle devient soit une naine blanche ou soit une étoile à neutron.

Le résultat de leurs calculs est que dans le cas des étoiles compactes comme les naines blanches et les étoiles à neutron, leur densité est si importante que le micro-trou noir qui serait situé à l'intérieur pourrait commencer à accréter efficacement la matière, dévorant de l'intérieur l'étoile, à tel point qu'il ne suffirait que de très peu de temps pour que le trou noir absorbe totalement l'étoile.

Ils concluent leur article en posant une limite sur le nombre de ces trous noirs  de 1018 g et 1026 grammes en comptabilisant simplement le nombre d'étoiles naines blanches et étoiles à neutrons dans les amas globulaires, et montrent que les trous noirs primordiaux ne peuvent en aucun cas former l'essentiel de la matière noire, mais une fraction de l'ordre de seulement  10-5.

Peanuts, disais-je...

Source :
Constraints on Primordial Black Holes as Dark Matter Candidates from Star Formation
F. Capela et al.
arXiv 1209.6021 26 sept 2012


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