L’univers précoce a connu une transition de phase qui a créé des trous noirs supermassifs, selon une étude

La formation de trous noirs supermassifs ultrarares, avec des masses supérieures à un milliard de masses solaires, au cours du premier milliard d’années de l’Univers est une question ouverte en astrophysique. Les physiciens théoriques du Brookhaven National Laboratory Hooman Davoudiasl, Peter Denton et Julia Gehrlein ont développé un modèle pour expliquer la formation de ces géantes primordiales ainsi que la nature d’un autre phénomène : la matière noire. Leur article a été publié dans la revue Lettres d’examen physique.

Cette impression d’artiste montre l’évolution de l’Univers en commençant par le Big Bang sur la gauche suivi de l’apparition du Fond Cosmique Micro-ondes. La formation des premières étoiles met fin à l’âge sombre cosmique, suivi de la formation des galaxies. Crédit image : M. Weiss / Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian.

“Avant l’existence des galaxies, l’Univers était chaud et dense, et c’est bien établi”, a déclaré le Dr. dit Denton.

“La façon dont l’Univers s’est refroidi jusqu’à ce que nous observons aujourd’hui est un sujet d’intérêt car nous n’avons pas de données expérimentales décrivant comment cela s’est produit.”

« Nous pouvons prédire ce qui s’est passé avec les particules connues car elles interagissent souvent. Mais que se passe-t-il s’il existe des particules non encore connues qui fonctionnent différemment ? »

Pour explorer cette question, les chercheurs ont développé un modèle pour un secteur sombre de l’Univers, où les particules encore à découvrir abondent et interagissent rarement.

Parmi ces particules, il pourrait y avoir de la matière noire ultra-légère, supposée être 28 ordres de grandeur plus légère qu’un proton.

“La fréquence des interactions entre les particules connues suggère que la matière, telle que nous la connaissons, ne se serait pas effondrée en trous noirs de manière très efficace”, a déclaré le Dr. dit Denton.

“Mais, s’il y avait un secteur sombre avec de la matière noire ultra-légère, l’Univers primitif aurait peut-être eu les conditions idéales pour une forme d’effondrement très efficace.”

Des observations récentes ont suggéré que des trous noirs supermassifs se sont formés dans l’Univers primordial, bien plus tôt que ne le pensaient les physiciens.

Cette découverte laisse peu de temps pour expliquer la croissance des trous noirs supermassifs.

“Nous avons théorisé comment les particules dans le secteur sombre pourraient subir une transition de phase qui permet à la matière de s’effondrer très efficacement dans les trous noirs”, a déclaré le Dr. dit Denton.

“Lorsque la température de l’Univers est idéale, la pression peut soudainement chuter à un niveau très bas, permettant à la gravité de prendre le dessus et à la matière de s’effondrer.”

“Notre compréhension des particules connues indique que ce processus ne se produirait pas normalement.”

Une telle transition de phase serait un événement dramatique, même pour quelque chose d’aussi spectaculaire que l’Univers.

« Ces effondrements sont un gros problème. Ils émettent des ondes gravitationnelles. Ces ondes ont une forme caractéristique, nous faisons donc une prédiction pour ce signal et sa gamme de fréquences attendue », a déclaré le Dr. dit Denton.

Les expériences actuelles sur les ondes gravitationnelles ne sont pas suffisamment sensibles pour valider la théorie, mais les expériences de nouvelle génération pourraient être en mesure de détecter les signaux de ces ondes.

Et sur la base de la forme caractéristique des ondes, les physiciens pourraient alors se concentrer sur les détails de la formation de trous noirs supermassifs.

D’ici là, les scientifiques continueront d’évaluer de nouvelles données et d’affiner leur modèle.

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Hooman Davoudiasl prendre de la viande. 2022. Trous noirs supermassifs, matière noire ultralégère et ondes gravitationnelles d’une transition de phase de premier ordre. Phys. Tour. laisse 128 (8) : 081101 ; doi : 10.1103/PhysRevLett.128.081101

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