Pourrait-il y avoir des trous noirs de matière noire?

La matière noire pourrait-elle se comprimer et former des trous noirs? Puisque la matière noire est encore plus abondante que la matière normale, un trou noir de matière noire ne devrait pas être rare ... non?

Le problème en essayant de former un trou noir avec de la matière noire est que la matière noire ne peut que faiblement interagir (le cas échéant) avec la matière normale et elle-même, autrement que par gravité.

Cela pose un problème. Pour que la matière noire soit suffisamment concentrée pour former un trou noir, elle doit augmenter son énergie de liaison gravitationnelle (négative) sans en même temps augmenter son énergie cinétique interne de la même quantité. Cela nécessite une sorte d'interaction dissipative entre la matière noire et la matière normale (ou elle-même).

Le scénario suivant devrait clarifier cela. Supposons que nous ayons un morceau de matière noire qui attire par gravitation un autre morceau de matière noire. À mesure que les deux se rapprochent, ils accélèrent et gagnent de l'énergie cinétique. L'énergie cinétique acquise sera exactement suffisante pour les séparer ensuite à un degré similaire à celui auquel ils ont commencé, à moins qu'un processus dissipatif n'ait lieu.

Un exemple est de supposer que la matière noire interagit faiblement avec les particules massives (WIMP). Les WIMP sont attirés par gravité vers les centres des étoiles. Si les interactions faibles se produisent suffisamment fréquemment, il pourrait être possible qu'elles s'accumulent dans les étoiles, plutôt que de traverser et de sortir de l'autre côté.

Il a été émis l'hypothèse que des trous noirs pourraient être faits comme ça près du centre d'une galaxie, ensemencés d'étoiles à neutrons denses. La densité de la matière des étoiles à neutrons, combinée à la densité accrue de la matière noire près des centres des galaxies, pourrait entraîner une accumulation de matière noire dans les étoiles à neutrons, conduisant à la formation de trous noirs.

Une fois qu'un trou noir est formé, aucune matière noire qui entre dans l'horizon des événements ne peut émerger quelle que soit l'énergie cinétique qu'elle acquiert au cours du processus. Cependant, il y a toujours un problème. Le matériau en orbite autour d'un trou noir a moins de moment angulaire plus il se rapproche. Pour passer à l'intérieur de l'horizon des événements, la matière noire doit perdre son élan angulaire. La matière normale le fait via un disque d'accrétion qui peut transporter l'élan angulaire vers l'extérieur par des couples visqueux, permettant à la matière de s'accumuler. La matière noire a une viscosité presque nulle, cela ne peut donc pas se produire.

Il serait donc difficile de construire un trou noir supermassif à partir d'une graine plus petite, mais la formation de petits trous noirs à partir d'étoiles à neutrons pourrait être plus facile. Il a été proposé qu'un manque relatif de pulsars observé vers notre propre centre galactique pourrait être dû à ce processus.

Comme l'a souligné Rob Jeffries, la formation d' un trou noir (BH) à partir de la matière noire (DM) est impossible ( sauf s'il existe une interaction [hypothétique] par laquelle la matière noire peut perdre de l'énergie qui échappe à toute détection). L'accrétion de DM dans une BH existante est encore peu probable (car la DM ne peut pas perdre son excès d'énergie et sa quantité de mouvement angulaire aussi facilement que le gaz), mais pas impossible et une petite fraction de matière accrétée dans les BH supermassifs (SMBH) dans les centres galactiques était probablement sombre.

Cependant, une fois la matière accrétée dans un BH, les informations sur ses origines (matière noire ou baryonique) sont perdues. Par conséquent, cela n'a aucun sens de parler de trous noirs de matière noire : les trous noirs n'ont aucune propriété au-delà de leur masse, de leur rotation et de leur charge ( théorème sans cheveux ).

Cette propriété même rend les trous noirs primordiaux intéressants comme candidats pour la matière noire, car ils ne violeraient pas les contraintes (par exemple de la nucléosynthèse big-bang ) sur la quantité de matière baryonique. Cependant, AFAIK, les trous noirs primordiaux sont en disgrâce en tant que candidats DM (pour des raisons qui dépassent le cadre de cette réponse).

Les trous noirs sont le résultat d'une masse si concentrée que la gravité ne laisse rien sortir, y compris la lumière. À peu près la seule chose que nous savons sur la matière noire, c'est qu'elle a une masse et semble n'interagir avec la matière ordinaire que par gravité. Puisque nous ne connaissons pas du tout la physique de la matière noire, il est impossible de dire quels processus pourraient concentrer suffisamment de matière noire pour former un trou noir, mais théoriquement un trou noir pourrait être formé de matière noire, ou même à la fois de matière ordinaire et d'obscurité. matière. Certains théoriciens [ note ] pensent même que c'est exactement ce que sont les trous noirs super-massifs.

note de bas de page : Jeremiah P. Ostriker de Princeton University, Collisional Dark Matter and the Origin of Massive Black Holes , et Zoltán Haiman de Columbia University, The Formation of the First Massive Black Holes . Également intéressants, ces articles , de 2011 à aujourd'hui, citant l'article fondateur d'Ostriker.