Demandez à Ethan: Comment la matière noire interagit-elle avec les trous noirs?

Les trous noirs sont l'un des objets les plus extrêmes de l'Univers: la concentration de masse est si énorme qu'elle s'effondre en une singularité en son centre, en plein accord avec la théorie générale de la relativité. Les atomes, les noyaux et même les particules fondamentales sont écrasés à une épaisseur arbitrairement petite dans notre espace tridimensionnel. En même temps, tout ce qui y tombe est voué à ne jamais réapparaître, mais simplement à compléter son attraction gravitationnelle. Qu'est-ce que cela signifie pour la matière noire? Notre lecteur demande:

Comment la matière noire interagit-elle avec les trous noirs? La suce-t-elle dans une singularité, comme la matière ordinaire, et complète-t-elle la masse d'un trou noir? Si oui, que lui arrive-t-il après qu'un trou noir se soit évaporé sous le rayonnement de Hawking?

Une excellente question, et vous devriez commencer par ce que sont les trous noirs.



Dans notre pays, pour envoyer quelque chose dans l'espace, il est nécessaire de surmonter l'attraction gravitationnelle de la Terre. Sur notre planète, ce que nous appelons la deuxième vitesse spatiale est de 11,2 km / s, et elle peut être obtenue à l'aide de puissants lancements de fusées. Si nous étions à la surface du Soleil, cette vitesse serait presque 55 fois plus élevée, soit 617,5 km / s. Après la mort, notre Soleil se réduira à une naine blanche, dont la masse est approximativement égale à 50% de la masse actuelle du Soleil, et la taille est la taille de la Terre. Dans ce cas, la deuxième vitesse cosmique à sa surface deviendra égale à 4570 km / s, soit 1,5% de la vitesse de la lumière.



Sirius A et B, une étoile normale comme le Soleil et un nain blanc. Bien que la naine blanche soit beaucoup plus petite en masse, sa petite taille terrestre rend la deuxième vitesse cosmique beaucoup plus grande.



Ceci est important, car plus vous collectez de masse dans un seul espace, plus vous vous rapprochez de la vitesse lumineuse dont vous avez besoin pour échapper à cet objet. Et lorsque cette vitesse à la surface de l'objet atteint ou dépasse la vitesse de la lumière, alors ici ce n'est pas seulement la lumière qui ne peut pas s'échapper, c'est déjà nécessaire - sur la base de notre compréhension de la matière, de l'énergie, de l'espace et du temps - tout à l'intérieur de l'objet s'effondre en une singularité. La raison est simple: toutes les interactions fondamentales, y compris les forces qui retiennent les atomes, les protons et même les quarks, ne peuvent pas se déplacer plus rapidement que la lumière. Donc, si vous êtes quelque part en dehors du point de singularité et que vous essayez de tenir l'objet un peu plus loin contre l'effondrement gravitationnel, rien n'en sortira; l'effondrement est inévitable. Et pour surmonter cette limitation, pour commencer, vous avez besoin d'une étoile plus massive que 20 à 40 masses solaires.


Une étoile massive à la fin de sa vie, avec son noyau de fer s'effondrant vers l'intérieur et formant un trou noir

Lorsque le carburant s'épuise dans son cœur, le centre tombera vers l'intérieur sous sa propre gravité et créera une supernova catastrophique, laissant tomber et détruisant les couches extérieures et laissant un trou noir au centre. Ces BH de "masse stellaire", dont la masse est de l'ordre de 10 masses solaires, grandissent avec le temps, absorbant toute matière ou énergie qui s'aventurait à s'en approcher trop près. Même si vous tombez dans BH à la vitesse de la lumière, vous ne pouvez pas sortir. En raison de la courbure extrêmement forte de l'espace à l'intérieur, vous tomberez inévitablement dans la singularité au centre. Après cela, vous ajoutez simplement de l'énergie BH.


Le trou noir absorbe le disque d'accrétion

De l'extérieur, on ne peut pas dire si ce BH était à l'origine composé de protons et d'électrons, de neutrons, de matière noire ou même d'antimatière. En BH, à notre connaissance, seules trois propriétés peuvent être mesurées: la masse, la charge électrique et le moment angulaire, c'est-à-dire sa vitesse de rotation. La matière noire, à notre connaissance, n'a ni charge électrique, ni nombres quantiques ( charge de couleur , nombre de baryons, nombre de leptons , etc.) qui pourraient être conservés ou détruits selon le paradoxe de la disparition des informations dans le trou noir.



En raison du principe de la formation de BH (due aux explosions d'étoiles supermassives), dans la première fois après leur apparition, elles sont composées à près de 100% de matière normale (baryonique) et de 0% de matière noire. N'oubliez pas que la matière noire n'interagit que par la gravité, contrairement à la matière normale, interagissant par des interactions gravitationnelles, faibles, électromagnétiques et fortes. Oui, bien sûr, la matière noire dans les grandes galaxies et amas est environ cinq fois plus que la normale, mais cela se résume à un halo galactique géant. Dans une galaxie ordinaire, ce halo s'étend sur plusieurs millions d'années-lumière, sphérique, dans toutes les directions, et la matière normale est concentrée dans un disque avec un volume de 0,01% de matière noire.


Matière normale dans le disque central et matière noire dans le halo bleu d'une galaxie typique

Les BH se forment généralement à l'intérieur de la galaxie, où la matière normale domine l'obscurité. Considérez la section spatiale où nous et notre Soleil sommes situés. Si vous l'entourez avec une sphère de rayon 100 AU autour du système solaire, nous inclurons toutes les planètes, lunes, astéroïdes et presque toute la ceinture de Kuiper, mais la masse baryonique - matière normale - de ce qui sera à l'intérieur sera principalement représentée par la masse du Soleil et sera d'environ 2 * 10 ³⁰ kg. En revanche, la quantité totale de matière noire dans cette sphère sera de 1 * 10 ¹⁹ kg, soit environ 0,000000000005% de la masse de matière normale de la même zone, ce qui correspond à peu près à la masse d'un modeste astéroïde comme la planète mineure Juno, d'environ 200 km de diamètre.



Au fil du temps, la matière noire et la matière normale entreront en collision avec ce trou noir, et il les absorbera, ajoutant à sa masse. La majeure partie de la croissance de la masse de BH sera due à la matière normale et non à la matière noire, bien qu'à un moment donné, quatre mille milliards d'années plus tard, le taux de décroissance du BH dépassera toujours son taux de croissance. Le rayonnement de Hawking entraînera l'émission de particules et de photons en dehors de l'horizon des événements du trou noir, préservant toute l'énergie, la charge et le moment angulaire des intérieurs BH. Ce processus peut prendre de 10 ⁶⁷ ans (pour un BH avec une masse du Soleil) à 10 ¹⁰⁰ ans (pour les BH les plus massifs, dont la masse est des milliards de fois plus que le solaire), mais le résultat est un mélange de tout ce qui est possible.



Cela signifie que le BH émettra également de la matière noire, mais cela ne dépend pas du tout de savoir si un BH particulier a une fois absorbé la matière noire. Le trou noir ne se souvient que d'un petit ensemble de nombres quantiques qui y sont tombés, et la quantité de matière noire qui y est tombée n'est pas incluse dans cet ensemble. En sortir ce n'est pas du tout ce qui est entré!


Un exemple de rayonnement Hawking quittant le BH depuis des zones proches de l'horizon des événements (seulement une illustration qualitative!)

Donc, en fin de compte, la matière noire n'est qu'une autre source de nourriture pour BH, et pas très bonne. Ce n'est même pas une source de nourriture particulièrement intéressante. Les résultats de l'entrée dans le BH de la matière noire ne différeraient pas des résultats de l'expérience dans laquelle vous brilleriez dans le BH avec une lampe de poche et absorberaient vos photons. Il suffit d'y verser, selon l'équation E = mc ² , autant d'énergie que la matière noire y est tombée en masse. Il n'y a pas d'autres charges dans la matière noire, et donc, à l'exception du moment angulaire acquis en raison d'une chute en dehors du centre du BH (qui s'applique également aux photons), cela n'aura aucun effet sur le BH.