Pourquoi les trous noirs peuvent constituer toute la matière noire

La matière noire est la substance mystérieuse qui, selon les cosmologistes, remplit notre Univers. La preuve de son existence est qu'il n'y a pas assez de masse visible pour maintenir les galaxies ensemble. Mais comme les galaxies ne se séparent manifestement pas, il doit y avoir une substance invisible, une masse manquante, qui génère les forces gravitationnelles qui les maintiennent ensemble.

Mais il y a un problème avec cette idée. Deux d'entre eux en fait. Premièrement, la meilleure estimation des physiciens sur les lois de la physique donne une bonne description de toutes les particules qu'ils ont découvertes jusqu'à présent et de quelques-unes qu'ils s'attendent à découvrir bientôt. Le problème est qu'aucune de ces particules n'a les bonnes propriétés pour être de la matière noire, c'est-à-dire électriquement neutre, à longue durée de vie et à mouvement lent. Mais aucune des particules connues ou raisonnablement supposées ne correspond au projet de loi. Pour faire de la place à une particule de matière noire, les lois de la physique doivent être modifiées d'une manière qui met mal à l'aise de nombreux théoriciens.

Deuxièmement, malgré une décennie passée à chercher de la matière noire avec des expériences coûtant des dizaines de millions de dollars, personne n'a posé les yeux sur la matière. La plupart des physiciens pensent que ces expériences n'ont rien trouvé : zip, zilch, zéro.

Il est difficile d'échapper à la conclusion qu'une autre explication de la masse manquante est nécessaire.

Entrez Paul Frampton à l'Université de Caroline du Nord et quelques copains. La suggestion de Frampton est que la masse manquante est constituée de trous noirs trop petits pour être vus directement mais trop gros pour s'être évaporés à cause du rayonnement de Hawking.

Mais cette idée est plus qu'une autre supposition sauvage. Frampton et ses amis ont un argument intéressant basé sur l'entropie pour étayer leur affirmation. Ça va comme ça.

D'abord, ils déterminent quelle pourrait être l'entropie maximale de l'Univers en imaginant que l'ensemble de l'univers visible était un trou noir géant. La réponse s'avère être 10^123, un très grand nombre. C'est donc la limite supérieure de ce que peut être l'entropie.

Ensuite, ils établissent une limite inférieure en additionnant l'entropie de tous les trous noirs connus de l'univers. Ils calculent cela en supposant qu'il y a un trou noir géant au centre de chaque galaxie, une opinion qui est de plus en plus communément partagée par les astrophysiciens.

Cela donne le nombre 10^103, plusieurs ordres de grandeur inférieurs.

C'est beaucoup d'entropie, bien sûr, mais Frampton et co, il est donc peu probable qu'il soit le principal contributeur de notre univers. Chaque trou noir supermassif a à peu près la taille de notre système solaire ou plus petit et il est intuitivement peu probable que la quasi-totalité de l'entropie soit aussi concentrée, dit-il. Donc quelque chose d'autre doit générer de l'entropie quelque part.

Il ne peut pas s'agir de matière visible puisque les calculs conventionnels indiquent que son entropie s'élève à seulement 10^88. Ce qui reste est l'entropie de la masse sombre manquante.

Quel type de trous noirs pourrait être responsable de cela ? Il s'avère que tout trou noir de plus de 10^6 masses solaires provoquerait la spirale de la matière voisine, empêchant la formation de galaxies. Tout ce qui est inférieur à 10^-8 masses solaires se serait évaporé.

La conclusion est donc que la matière noire est constituée de trous noirs d'une masse comprise entre 10^6 et 10^-8 masses solaires.

Mais il y a aussi un problème avec cette idée. Comment ces trous noirs ont-ils pu se former en si grand nombre au début de l'Univers. Quelque chose a dû faire s'agglutiner la matière à cette échelle pour former les trous noirs. Mais rien n'indique comment cela a pu se produire dans la théorie actuelle de l'inflation, qui décrit la croissance de l'Univers primitif.

C'est facile à résoudre, disent Frampton and co : il a dû y avoir deux périodes d'inflation. La première a conduit à la structure à grande échelle de l'Univers que nous voyons et a été mesurée par des engins spatiaux tels que WMAP. La seconde a conduit à l'agglutination qui a créé un grand nombre de trous noirs primordiaux de taille moyenne.

C'est une explication un peu plus facile à comprendre que celle dans laquelle les lois de la physique doivent changer pour créer de nouvelles particules de matière noire. Mais seulement juste.

Cependant, les idées de Frampton peuvent être mieux testées en recherchant des preuves de ces trous noirs primordiaux, qui devraient provoquer des événements de microlentille : c'est-à-dire que leur gravité devrait focaliser la lumière des étoiles derrière eux, vues de la Terre.

Ces types de mesures sont de plus en plus faciles à faire, il devrait donc être possible d'accepter ou de rejeter les idées de Frampton dans un avenir pas trop lointain.

Réfs :

arxiv.org/abs/1003.3356 : Les trous noirs constituent toute la matière noire

arxiv.org/abs/1001.2308 : Trous noirs primordiaux comme toute matière noire

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