LIGO pourrait avoir détecté les constituants de la matière noire : les trous noirs primordiaux

[mmanu_F]

Voilà une jolie actu 3 en 1.

Certains d'entre vous se sont certainement posés la question (il me semble l'avoir lu quelque part sur le forum, mais où ?) : pourquoi les trous noirs détectés par LIGO sont-ils si gros ? Le plus gros trou noir stellaire détecté avant 2016 ne fait "que" 16 masses solaires et là, LIGO ouvre ses oreilles et on se retrouve avec 2 gros bébés de 30 masses solaires qui fusionnent en un monstre de 60 masses solaires ! Surprenant.

Sur un autre fil, aujourd'hui, certains parlaient de trous noirs primordiaux et je me suis posé distraitement la question de leur observation.

Enfin, je sors d'une discussion animée qui gravitait autour de la matière noire et de ses constituents potentiels qui n'étaient toujours pas observés.

Eh bien, je viens d'apprendre à l'instant que les trois questions sont joliment reliées dans un article publié sur arxiv avant hier par 8 auteurs (dont Marc Kamionkowski et Adam Riess) !

D'abord, revenons vite fait sur la matière noire. Est-elle due à une modification des lois de la relativité générale à grande distance ? Est-elle plutôt constituées d'un grand nombre de particules élementaires légères pas encore détectées ? Y'a t'il d'autres alternatives ? Eh bien oui, il y a les MACHOs et les RAMBOs, les gros machins compacts ! Comme les auteurs le note dans leur abstract, il reste justement une fenêtre entre 10 masses solaires et 100 masses solaires dans laquelle les trous noirs primordiaux font de très bons candidats pour la matière noire. LIGO pourrait ainsi avoir détecter, non pas des trous noirs résultant de l'éffondrement de grosses grosses étoiles mais des trous noirs primordiaux formés quand l'univers était encore petit, à une époque où la densité était suffisante pour qu'ils puissent se former un peu n'importe où. Une estimation du taux avec lequel les fusions de trous noirs doivent avoir lieu pour être compatible avec celle déterminée par l'équipe LIGO (page 11) montre que les trous noirs primordiaux doivent être "entassés" (comme le fait la matière noire) plutôt que d'être réparti de manière homogène dans tout l'univers. Brillant ! Il doit en être ainsi si les trous noirs primordiaux sont la matière noire ! Enfin ces trous noirs primordiaux ont des caractéristiques particulières (distribution de masse, grande ellipticité, signature particulière des ondes gravitationnelles qu'ils émettent) qui pourront être discernées ... seulement par la prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Il va (encore) falloir être patient.
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[stefpell]

Bonjour mmanu_f,

Premièrement j'aimerais vous félicité de la qualité de vos interventions, chapeau !

J'aurais une petite question au sujet que la matière noire serait des trous noirs primordiaux (ou dû moins se comporte comme), ma question est peut-être un peu rapide, je n'ai pas encore pris le temps de lire sur les 'trous noir primordiaux' mais à première vue de mes connaissances très limitées, il va sans dire, il y a un phénomène de non viscosité avec la matière noir...puis-je faire le lien que les trous noirs primordiaux sont non visqueux ?!?

Merci et bravo encore pour votre travail !

Stef

PS : J'ai remarqué que vous n'utilisé plus vos mm dans vos interventions, j'aurais plutôt envie de vous dire continuer !! c'est comme votre signature, si quelqu'un vous à dit d'arrêter et bien il n'a rien compris ! ceci n'est que mon opinion toute personnel.

[mike.p]

Salut,

je ne comprends pas très bien cette affirmation récurrente depuis la détection de Ligo comme quoi on n'aurait observé que des TN de moins de 16 masses solaires. Et Sagittarius A ? et tous ceux de milliards de MS cités dans les news ?

Une remarque sur les proportions : du côté expérimental , A. Barrau, G. Boudoul, F. Donato, D. Maurin, P. Salati, R. Taillet ont publié en 2001 Antiprotons from primordial black holes

This article aims at using the latest developments on ... experiments to constrain the local amount of PBH dark matter. Depending on the diffusion halo parameters and on the details of emission mechanism, we derive an average upper limit of the order of rho < 1.7E-33 g cm^-3.

où ils donnent une limite supérieure de la densité de TN primordiaux de 1.7E-33 g/ cm^3. Rapportée à l'estimation de la densité de matière ordinaire 3e-28 kg/m^3 , cela donne 1/175 au lieu de 4/1 .

Savez vous si des observations plus récentes ont affiné leurs mesures/calculs ?

[ansset]

Enfin, je sors d'une discussion animée qui gravitait autour de la matière noire et de ses constituents potentiels qui n'étaient toujours pas observés.

discussion animée ?
j'espère que tu fais pas référence à notre échange.

[

Eh bien, je viens d'apprendre à l'instant que les trois questions sont joliment reliées dans un article publié sur arxiv avant hier par 8 auteurs (dont Marc Kamionkowski et Adam Riess) !

.................
LIGO pourrait ainsi avoir détecter, non pas des trous noirs résultant de l'éffondrement de grosses grosses étoiles mais des trous noirs primordiaux formés quand l'univers était encore petit, à une époque où la densité était suffisante pour qu'ils puissent se former un peu n'importe où. Une estimation du taux avec lequel les fusions de trous noirs doivent avoir lieu pour être compatible avec celle déterminée par l'équipe LIGO (page 11) montre que les trous noirs primordiaux doivent être "entassés" (comme le fait la matière noire) plutôt que d'être réparti de manière homogène dans tout l'univers. Brillant ! Il doit en être ainsi si les trous noirs primordiaux sont la matière noire !

je dois avoir mal lu.
mais je n'ai pas lu tout cela dans l'article.
- detection de TN primordiaux
-hypothèse de fusions de ceux ci
-quantification éventuelle.
-lien ( par déduction ) avec la matière noire

En revanche, beaucoup de points ( essentiel du sujet ) sur les systèmes binaires ( neutron ), des fusions de TN, et des prévisions très bayésiennes du nb de détections envisageables à l'avenir pour les 2.

il se peut que certains sigles en anglais m'aient échappés.
page 11? mais j'ai aussi parcouru l'ensemble de l'article.

Cdt

[A voir en vidéo sur Futura]

[mmanu_F]

Salut,

je ne comprends pas très bien cette affirmation récurrente depuis la détection de Ligo comme quoi on n'aurait observé que des TN de moins de 16 masses solaires. Et Sagittarius A ? et tous ceux de milliards de MS cités dans les news ?

salut,

on fait la différence entre les TN stellaires (résultant de l'effondrement d'une seule étoile) et les TN galactiques (comme SagA) qui sont beaucoup beaucoup plus gros, ils ne jouent pas dans la même catégorie.

Une remarque sur les proportions : du côté expérimental , A. Barrau, G. Boudoul, F. Donato, D. Maurin, P. Salati, R. Taillet ont publié en 2001 Antiprotons from primordial black holes où ils donnent une limite supérieure de la densité de TN primordiaux de 1.7E-33 g/ cm^3. Rapportée à l'estimation de la densité de matière ordinaire 3e-28 kg/m^3 , cela donne 1/175 au lieu de 4/1 .
Savez vous si des observations plus récentes ont affiné leurs mesures/calculs ?

les résultats de Barrau et al. (2003) sont discutés dans l'article de synthèse de Carr et al. en 2009 page 23 §B. Cet article sert de base à l'analyse de Kamionkowski, Riess et al. (leur référence 6) pour établir la fenêtre de masse encore possible pour expliquer la matière en terme de TN primordiaux (voir la discussion autour de la figure 8 de Carr et al. page 29).

[mmanu_F]

discussion animée ?
j'espère que tu fais pas référence à notre échange.

salut,

je ne faisais absolument pas référence à notre échange, mais au début de la discussion (pendant lequel j'ai été très sage).

[ansset]

ps : complement à mon post #4
je ne peux pas télécharger l'article de arxiv.
juste ouvert le second lien.
Cdt

[ansset]

les résultats de Barrau et al. (2003) sont discutés dans l'article de synthèse de Carr et al. en 2009 page 23 §B. Cet article sert de base à l'analyse de Kamionkowski, Riess et al. (leur référence 6) pour établir la fenêtre de masse encore possible pour expliquer la matière en terme de TN primordiaux (voir la discussion autour de la figure 8 de Carr et al. page 29).

en revanche, j'ai pu ouvrir celui ci,
(ma première remarque était, tu l'avais compris , lié au second lien )
je comprend mieux ton premier post malgré la non-lecture du premier lien.
bref, on attend beaucoup de Lisa et plus tard eLisa, pour ajuster ces hypothèses de quantification.

[mmanu_F]

J'aurais une petite question au sujet que la matière noire serait des trous noirs primordiaux (ou dû moins se comporte comme), ma question est peut-être un peu rapide, je n'ai pas encore pris le temps de lire sur les 'trous noir primordiaux' mais à première vue de mes connaissances très limitées, il va sans dire, il y a un phénomène de non viscosité avec la matière noir...puis-je faire le lien que les trous noirs primordiaux sont non visqueux ?!?

salut (et merci pour tes encouragements),

je ne suis pas sûr que ce soit ce que tu suggères, mais ce que je comprends c'est que la matière noire (MN) ne se comporte pas exactement comme la matière visible qui perd de l'énergie par collision et rayonnement et finit par former des systèmes galactiques plutôt aplatis, alors que la matière noire forme plutôt des halos ventrus. La MN ne semble pas dissiper l'énergie aussi efficacement que la matière visible. Tout l'article de Kamionkowksi, Riess et al. est consacré à l'estimation du taux de fusion de TNP (trous noirs primoridaux) dans ce type de halos, avec ce que l'on sait sur la distribution de MN qu'ils contiennent et ils concluent que la possibilité que la MN soit composée de TNP (ressemblant à ceux entendu par LIGO) n'est pas entièrement exclue. Dans ce sens, les aspects dissipatifs de la MN semblent en accord avec les TPNs, leur rayonnement (essentiellement via l'émission d'onde gravitationnelles) et leur taux de collision.

Mais je préfère le redire encore une fois, tout ceci reste encore très préliminaire et spéculatif mais il prévoit que si toute la MN est composée de ses TNPs, LIGO pourrait voir passer des dizaines de milliers d'évenement de ce genre durant sa carrière.

[mmanu_F]

en revanche, j'ai pu ouvrir celui ci,
(ma première remarque était, tu l'avais compris , lié au second lien )
je comprend mieux ton premier post malgré la non-lecture du premier lien.
bref, on attend beaucoup de Lisa et plus tard eLisa, pour ajuster ces hypothèses de quantification.

où as-tu vu une hypothèse de quantifications ?

c'est bizarre que tu n'arrive pas à ouvrir l'article, essaie ce lien direct sur le pdf.

[ansset]

où as-tu vu une hypothèse de quantifications ?
.

plusieurs répartitions diff de % TN en fonction de leur masses.

[mmanu_F]

plusieurs répartitions diff de % TN en fonction de leur masses.

rien a voir avec la quantique donc. je suis rassuré.

[ansset]

non, sur ce point, voir mess dernier post de l'autre fil.
Cdt.

[ansset]

....... il reste justement une fenêtre entre 10 masses solaires et 100 masses solaires dans laquelle les trous noirs primordiaux font de très bons candidats pour la matière noire. LIGO pourrait ainsi avoir détecter, non pas des trous noirs résultant de l'éffondrement de grosses grosses étoiles mais des trous noirs primordiaux
.

c'est quand même un point que n'arrive pas à éclaircir sur qcq points
les TN primordiaux étaient "petits" , non ?
ou alors ils se sont agglomérés, hypothèse retenue dans le modèle.?

à part dans ce que tu cites, je n'ai jamais entendu parler de détection de TN primordiaux, agglomérés ou pas.
( tu emploies bien le conditionnel )

et mes lectures anciennes les avait évacués compte tenu de quantité/masse estimée.( agglo ou pas )
ce serait donc ce calcul qui aurait été corrigé, mais alors de beaucoup, beaucoup.

En revanche, l'aspect "séduisant" ( le mot est inapproprié ) est qu'il semble que la MN soit effectivement répartie en petits grumeaux..
dans la fourchette de masse que tu évoques. normal, c'est celle que l'on recherche justement.
Donc ce serait le retour le l'hypothèse TN pour la MN.

merci de me corriger si cela te semble utile.
Cdt.

[mmanu_F]

c'est quand même un point que n'arrive pas à éclaircir sur qcq points
les TN primordiaux étaient "petits" , non ?

relis les quelques premières lignes de l'intro de l'article de Carr et al. (poste #5), tout y est. Leur taille est très dépendante du mécanisme sous jacent à leur création (par exemple des modèles inflationnaires, décidément )

ou alors ils se sont agglomérés, hypothèse retenue dans le modèle.?

c'est plutôt les TNPs qui se trouvent sous forme de halo (et pas réparti uniformément dans l'univers). L'hypothèse ne parait pas farfelue au regard de ce qu'on vient de dire, leur présence est probablement due à des fluctuations quantiques comme c'est le cas pour les structures visibles de l'univers, ça ne me parait pas choquant de les retrouver aux mêmes endroits quelques milliards d'années plus tard.

à part dans ce que tu cites, je n'ai jamais entendu parler de détection de TN primordiaux, agglomérés ou pas.
( tu emploies bien le conditionnel )

je n'en avais jamais entendu non plus avant hier soir. depuis j'ai entendu parlé pas mal de microlensing mais pas spécifiquement reliés à des TN primordiaux. C'est une possibilité que les oreilles de LIGO nous ouvre la voie vers une nouvelle branche de l'astronomie. Les TN primordiaux ont des caractéristiques particulières. j'en parle dans mon premier post, ils en parlent dans la dernière page de l'article, tu as réussi à l'ouvrir. (et oui plutôt deux fois qu'une pour le conditionnel)

et mes lectures anciennes les avait évacués compte tenu de quantité/masse estimée.( agglo ou pas )
ce serait donc ce calcul qui aurait été corrigé, mais alors de beaucoup, beaucoup.

bah, je sais pas j'étais pas né. ils sitent Carr et Hawking en 1974, je n'y ai pas jeté l'oeil. Un peu plus loin ils disent que le microlensing exclus les masses plus petites que 10 masses solaires.

En revanche, l'aspect "séduisant" ( le mot est inapproprié ) est qu'il semble que la MN soit effectivement répartie en petits grumeaux..
dans la fourchette de masse que tu évoques. normal, c'est celle que l'on recherche justement.
Donc ce serait le retour le l'hypothèse TN pour la MN.

merci de me corriger si cela te semble utile.
Cdt.

séduisant me paraît approprié (la Nature est sexy) et je n'ai rien a ajouter.

[ansset]

OK, mon "puzzle" de compréhension s'assemble.
merci

[espace-temps-particulaire]

Après le Trous Noirs primordiaux, les galaxies primitives.

La galaxie GN-z11 a été observée à un redshift de 11.1, ~200-300 million d’années.
https://www.nasa.gov/feature/goddard...istance-record

“The discovery of this unexpectedly bright galaxy at such a great distance challenges some of our current theoretical models for the build-up of galaxies,” said van Dokkum (Yale univ.).

[Lansberg]

Bonjour,

LIGO pourrait ainsi avoir détecter, non pas des trous noirs résultant de l'éffondrement de grosses grosses étoiles mais des trous noirs primordiaux formés quand l'univers était encore petit, à une époque où la densité était suffisante pour qu'ils puissent se former un peu n'importe où. Une estimation du taux avec lequel les fusions de trous noirs doivent avoir lieu pour être compatible avec celle déterminée par l'équipe LIGO (page 11) montre que les trous noirs primordiaux doivent être "entassés" (comme le fait la matière noire) plutôt que d'être réparti de manière homogène dans tout l'univers. Brillant ! Il doit en être ainsi si les trous noirs primordiaux sont la matière noire ! Enfin ces trous noirs primordiaux ont des caractéristiques particulières (distribution de masse, grande ellipticité, signature particulière des ondes gravitationnelles qu'ils émettent) qui pourront être discernées ... seulement par la prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Il va (encore) falloir être patient.

Une autre hypothèse serait que les deux trous noirs en question proviendraient d'une seule et même étoile supermassive. Une publication récente dans The Astrophysical Journal letters décrit le phénomène. Un résumé en français : http://www.ca-se-passe-la-haut.fr/se...el/trou%20noir

[espace-temps-particulaire]

http://arxiv.org/pdf/1209.6021v3.pdf (jan. 2013)

“ If the DM consists partly of primordial black holes (PBHs), they will be trapped together with the rest of the DM and will be finally inherited by a star compact remnant — a white dwarf (WD) or a neutron star (NS), which they will destroy in a short time. “

[espace-temps-particulaire]

Bonjour, Une autre hypothèse serait que les deux trous noirs en question proviendraient d'une seule et même étoile supermassive. Une publication récente dans The Astrophysical Journal letters décrit le phénomène. Un résumé en français : http://www.ca-se-passe-la-haut.fr/se...el/trou%20noir

Abraham Loeb : http://arxiv.org/pdf/1602.04735v2.pdf (24 fev. 2016) : “Mergers of stellar-mass black holes (BHs), such as GW150914 observed by LIGO, are not expected to have electromagnetic counterparts. However, the Fermi GBM detector identified a γ-ray transient 0.4 s after the gravitational wave (GW) signal GW150914 with consistent sky localization. I show that the two signals might be related if the BH binary detected by LIGO originated from two clumps in a dumbbell configuration that formed when the core of a rapidly rotating massive star collapsed.”

[Lansberg]

C'est bien la publication en question. La détection d'un sursaut gamma par le télescope Fermi-Lat pourrait coïncider avec la fusion des deux trous noirs. Et cette émission gamma est cohérente avec la fusion de deux trous noirs issus d'une même étoile. Le télescope européen Intégral n'a cependant pas enregistré de signal gamma.
L'hypothèse de deux trous noirs provenant de l'effondrement d'une seule étoile massive est séduisante, car comme le dit JP Luminet dans une interview récente, "les étoiles hyper-massives susceptibles de donner naissance à un trou noir de 30 masses solaires sont déjà très rares. Mais avoir deux étoiles hyper-massives en couple est tout simplement invraisemblable". Et il ajoute : "On peut penser en outre qu’une cataclysmique explosion d’hypernova aurait tendance à briser n’importe quel couple. Or ici il y aurait eu deux explosions cataclysmiques dans un couple serré, et le couple aurait résisté".
Donc, affaire à suivre...

[mmanu_F]

http://arxiv.org/pdf/1209.6021v3.pdf (jan. 2013)

“ If the DM consists partly of primordial black holes (PBHs), they will be trapped together with the rest of the DM and will be finally inherited by a star compact remnant — a white dwarf (WD) or a neutron star (NS), which they will destroy in a short time. “

salut,

... pour des TNP avec une masse entre 10^16 et 10^23 g.

essaie de lire l'abstract jusqu'au bout la prochaine fois

[espace-temps-particulaire]

http://arxiv.org/pdf/1209.6021v3.pdf (jan. 2013)

« If the DM consists partly of primordial black holes (PBHs), they will be trapped together with the rest of the DM and will be finally inherited by a star compact remnant — a white dwarf (WD) or a neutron star (NS), which they will destroy in a short time. Observations of WDs and NSs thus impose constraints on the abundance of PBH. We show that the best constraints come from WDs and NSs in globular clusters which exclude the DM consisting entirely of PBH in the mass range 10^16g − 3 × 10^22g ».

[espace-temps-particulaire]

http://arxiv.org/pdf/1510.04372v1.pdf (oct. 2015)
Primordial Black Holes: Observational Characteristics of The Final Evaporation

"In 1974, Hawking showed by convolving quantum field theory, thermodynamics and general relativity that a Black Hole (BH) has a temperature inversely proportional to its mass and emits photon and particle radiation with thermal spectra [2]. As the BH emits this radiation, its mass decreases and hence its temperature and flux increase. A PBH that formed with an initial mass of ∼ 5.0×10^11 kg in the early universe should be expiring today [3] with a burst of high-energy particles, including gamma-rays in the MeV to TeV energy range. Thus PBHs are candidate gamma-ray burst (GRB) progenitors [4]…

In addition, GRBs due to PBH bursts are not expected to be accompanied by gravitational wave radiation. GRBs from other sources may be accompanied by gravitational waves (GW) and for short GRBs, a GW signature would confirm a compact star merger origin (which is the leading model for short GRBs). Moreover, we expect the emission of a neutrino burst and cosmic-ray (e ±, p, ¯p and possibly n) burst of similar time profiles to accompany the gamma-ray radiation in the event of a BH burst. These neutrino and cosmic-ray bursts should be emitted simultaneously by the BH with the gamma-ray burst. Thus far the reason that we have not detected neutrinos from standard GRBs may be due to their great distances. However, any PBH burst candidate that we detect with the current instruments should be very local, and so UHE neutrino and/or cosmic-ray telescopes may possibly detect the accompanying neutrino or cosmic-ray bursts from the PBH [39; 15]. Table 1 summarizes the observational differences between standard cosmological GRBs and PBH bursts."

[mmanu_F]

(...)

re,

tu sais aussi écrire par toi-même, ou tu n'as que l'option copier-coller d'article ?

[espace-temps-particulaire]

http://arxiv.org/pdf/1603.00884v1.pdf (mar.2016)
BINARY BLACK HOLES IN DENSE STAR CLUSTERS: EXPLORING THE THEORETICAL UNCERTAINTIES

« We find that variations in initial assumptions can set otherwise identical initial clusters on completely different evolutionary paths, significantly affecting their observable properties at present, or even affecting the cluster’s very survival to the present. However, these changes usually do not affect the numbers or properties of merging BH–BH binaries produced by GCs. The only exception is that varying assumptions about stellar IMF and winds can significantly change the masses of BHs in merging binaries. For a given IMF and metallicity, all other variations (e.g., in initial binary properties and binary fraction) leave the numbers and masses of BH– BH mergers largely unchanged. This is in contrast to binary population synthesis models for the field, where results are very sensitive to a large number of uncertain parameters in the initial properties of binaries and in the binary stellar evolution physics. We discuss our results in the context of the recently detected BH–BH merger GW150914, assuming that it originated in a GC. The very large BH masses in this system are likely not common, even with weak winds and low metallicity; instead, the properties inferred for the other LIGO trigger event, LVT151012, are closer to what we would predict for the bulk of BH–BH mergers produced dynamically in GCs. »

[mmanu_F]

tu n'as apparemment que l'option. et tu pourrais arrêter ?

[JPL]

Pour en revenir à l'hypothèse avec des mots à moi (pas empruntés) et en français () cela fait quand même une très, très, très grosse étoile avant qu'elle se scinde en deux trous noirs. Comment est-ce possible sans qu'elle s'effondre ?

Autrement dit si la taille des deux trous noir pose bien un problème, celle de cette hypothétique étoile m'en pose un plus gros.

[Lansberg]

Dans l'article que je cite, Abraham Loeb (Harvard Smithonian Center for Astrophysics) suppose que le phénomène concerne une étoile en rotation rapide ce qui donne un cœur en forme d'haltère au cours de l'effondrement lequel se scinde en deux parties quasi égales donnant chacune un trou noir.
C'est peut-être ce qui pourrait arriver à Eta Carinae dont la masse est estimée entre 150 et 300 masses solaires.

[ansset]

personnellement, je regarde toutes les hypothèses, celle venant des liens de mmanu comme les autres.
cette détection, et celles à venir, n'ont pas fini d'exciter les chercheurs à la fois sur leurs analyses et les implications éventuelles de nos modèles.