Voyager 1, trous noirs primordiaux et matière noire

Comment savoir combien de trous noirs primordiaux microscopiques peuplent notre Galaxie et si ils peuvent contribuer significativement à sa masse manquante (matière noire) ? Il suffit de détecter leur rayonnement de Hawking, pardi, puisqu'ils sont minuscules... C'est ce qu'ont fait deux astrophysiciens français en mesurant des électrons et des positrons de faible énergie qui seraient issus de l'évaporation de tels trous noirs. Et pour mesurer ces particules de faible énergie, ils ont été obligés d'utiliser le détecteur le plus éloigné du Soleil que nous ayons à notre disposition : la vieille sonde Voyager 1 qui est sortie de l'héliosphère...

Ce qu'on appelle les trous noirs primordiaux sont des trous noirs qui auraient été produits dans l'Univers... primordial, avant le découplage photons-matière qui a donné lieu à l'émission du fond diffus cosmologique. Ces trous noirs auraient été produits par des effondrements gravitationnels du plasma primordial à partir de perturbations de densité apparues lors de la phase inflationnaire, très peu de temps après le Big Bang. D'après différentes théories, les trous noirs primordiaux pourraient échapper aux contraintes observées sur l'abondance en matière baryonique si ils se sont formés avant la nucléosynthèse (la formation des premiers noyaux atomiques qui commence environ 1 seconde après le Big Bang). De fait, les trous noirs primordiaux peuvent se former sur une plage temporelle assez grande et leur masse est directement liée à leur date de création avec une relation simple de proportionnalité : M ∼ c³t/G. Ainsi, un trou noir primordial qui se forme au temps de Planck (10^-43 s) aura une masse de 10^-5 g alors qu'un trou noir se formant 1 seconde après le Big Bang aura une masse de 10³⁸ g (soit environ 100 000 masses solaires)...

Les chercheurs ont apportés de sérieuses contraintes observationnelles sur les trous noirs primordiaux : le nombre de trous noirs de masse supérieure à 10³⁶ g (1000 masses solaires) est par exemple contrainte par des observations d'absence de dislocations de systèmes stellaires binaires, d'amas globulaires ou de bulbes galactiques. Les trous noirs primordiaux les plus massifs doivent, eux, accréter de la matière qui rayonne alors en rayons X et radio, ce qui permet de les dénombrer assez facilement. 

Dans la plage de masses intermédiaire, entre 10¹⁷ et 10³⁵ g, ce sont des mesures de lentilles gravitationnelles, ainsi que des mesures de délais temporels dans des réseaux de pulsars qui apportent des contraintes fortes sur leur nombre dans l'Univers.

En bas de l'échelle des masses, c'est l'effet d'évaporation de Hawking qui apporte une contrainte encore plus forte. La durée de vie d'un trou noir avant son évaporation complète par rayonnement de Hawking est une fonction de sa masse : plus le trou noir est petit, plus il s'évapore vite. Il est facile de calculer qu'un trou noir primordial qui a une masse inférieure à 4 10¹⁴ g a déjà dû s'évaporer dans la durée écoulée depuis sa création. Il ne peut donc pas exister de trous noirs primordiaux de masse inférieure à 4 10¹⁴ g. 

Mathieu Boudaud et Marco Cirelli (Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Energies, CNRS/Sorbonne Université) se sont donc intéressés à la plage de masse encore mal contrainte par des observations astrophysiques : les trous noirs primordiaux qui auraient une masse comprise entre 4 10¹⁴ g et 10¹⁷ g, et qui seraient donc des trous noirs en train de s'évaporer aujourd'hui par rayonnement de Hawking. Il est peut-être utile à ce stade de rappeler la dimension physique de tels trous noirs pour fixer les idées : un trou noir de 10¹⁷ g (ce qui fait 100 milliards de tonnes) a un rayon de 1,5 10^-13 m, ce qui le fait tenir à l'aise à l'intérieur d'un atome (entre son noyau et son cortège d'électrons).

Plus les trous noirs sont petits, plus leur rayonnement de Hawking est énergétique, et ces trous noirs peuvent produire dans cette évaporation toutes sortes de particules et d'antiparticules, notamment des électrons et des positrons. Les théoriciens ont calculé depuis de nombreuses années quel devait être le spectre en énergie des particules issues de l'évaporation des trous noirs par le mécanisme de Hawking. Pour des trous noirs de masse inférieure à 10¹⁷ g, les électrons et positrons ont un spectre énergétique caractéristique centré autour de quelques dizaines de MeV.
Des observations antérieures ont été faites pour ce qui concerne les photons gamma formant ce qu'on appelle le fond gamma extragalactique, mais celui-ci a le défaut de ne pas concerner notre Galaxie seule, et limite donc ce que l'on peut déduire de la présence des trous noirs primordiaux pour l'explication de la matière noire galactique. Ces données gamma étaient par ailleurs sujettes à des grandes incertitudes. Boudaud et Cirelli se sont donc focalisés sur les particules plus accessibles qui peuvent être rayonnées par des trous noirs en évaporation qui seraient situés dans notre Galaxie : des électrons et des positrons de quelques MeV jusqu'à environ 50 MeV. 

Le détecteur de particules et d'antiparticules le plus évolué aujourd'hui en orbite est AMS-02 (installé sur l'ISS depuis 8 ans), mais celui-ci ne mesure des particules chargées qu'à haute énergie, supérieure à 500 MeV. Cet effet de seuil n'est pas dû à l'efficacité du détecteur qui serait moins bonne à basse énergie, mais à un effet astrophysique lié au Soleil. Le Soleil éjecte en effet en permanence un flux de protons et d'électrons (le "vent solaire") qui forme une sorte de bulle de rayonnement cosmique autour de lui, que les spécialistes appelle l'héliosphère. Cette bulle s'étend jusqu'aux confins du système solaire, où sa frontière (l'héliopause) est matérialisée là où le flux de particules moyen voit sa direction s'inverser lentement, devenant entrante (vers le Soleil) au lieu de sortante (vers l'extérieur). Or les particules chargées de relativement basse énergie comme des électrons et des positrons de quelques dizaines de MeV sont fortement ralenties et stoppées par l'héliosphère et ne parviennent que très difficilement jusqu'à la Terre. Mais Mathieu Boudaud et Marco Cirelli ont trouvé la parade : il se trouve que la sonde Voyager 1, en août 2012, soit 35 ans après son lancement, a franchi l'héliopause pour entrer officiellement dans le milieu interstellaire. Ce franchissement a pu être observé car la sonde est munie d'un petit détecteur de particules, qui se trouve être sensible aux électrons et aux positrons jusqu'à quelques dizaines de MeV. Il suffit de regarder quel est le flux d'électrons et de positrons qui est détecté par Voyager 1 depuis 2012 dans la gamme en énergie correspondant au rayonnement de Hawking des trous noirs primordiaux pour leur apporter une nouvelle contrainte observationnelle! Boudaud et Cirelli ont ainsi analysé les données de Voyager 1 en utilisant différents modèles de propagation du rayonnement cosmique qui ont été déterminés notamment grâce aux données de AMS-02.

Et voilà le résultat qu'annoncent les physiciens dans leur article publié dans Physical Review Letters à partir des données de cette bonne vieille sonde Voyager 1 : les trous noirs primordiaux qui ont une masse inférieure à 10¹⁶ g peuvent certes exister dans notre Galaxie, mais leur quantité doit être si faible qu'ils ne peuvent représenter, au maximum, qu'une fraction égale à 0,1% de la masse noire de notre Galaxie... Cette belle étude semble donc confirmer que les trous noirs primordiaux ne sont pas du tout de bons candidats au titre tant recherché de "responsable du grattage de tête de milliers d'astrophysiciens".


Source

Voyager 1 e^± Further Constrain Primordial Black Holes as Dark Matter
Mathieu Boudaud and Marco Cirelli
Phys. Rev. Lett. 122 (30 January 2019)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.041104



Illustrations

1) Vue d'artiste de trous noirs primordiaux au sein du plasma de l'Univers primordial (Leiden Institute of Physics)

2) Vue d'artiste de la sonde Voyager 1 traversant l'héliopause (NASA/JPL-Caltech/The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)

3) Spectre en énergie des électrons et des positrons devant être produits par des trous noirs de masse différente et comparaison avec les mesures de Voyager 1 et de AMS-02 (M. Boudaud, M. Cirelli)