Demandez à Ethan: peut-être que l'antimatière manquante est cachée à l'intérieur des trous noirs?

L'idée de l'artiste du système planétaire Kepler-42. Nous avons toutes les raisons de croire que tout cela est constitué de matière et non d'antimatière, mais les trous noirs peuvent nous raconter une histoire complètement différente - nous n'avons aucun moyen d'établir en quoi ils consistent

L'un des plus grands mystères cosmiques de l'Univers entier est pourquoi il contient tellement plus de matière que d'antimatière. Les lois de la physique, à notre connaissance, vous permettent de créer et de détruire la matière et l'antimatière strictement dans des proportions égales. Cependant, en regardant les étoiles, les galaxies et les structures à grande échelle de l'Univers, nous constatons qu'elles sont toutes constituées de matière et que la quantité d'antimatière est négligeable. Cette énigme cosmique fait que beaucoup de gens soutiennent qu'il existait peut-être une quantité égale d'antimatière, puis séparée d'une manière ou d'une autre de la matière. Est-ce possible et l'antimatière pourrait-elle se cacher dans des trous noirs? Notre lecteur demande:

Il y a le mystère de la présence de matière et de l'absence d'une quantité appropriée d'antimatière. Certains trous noirs distants et anciens se sont formés beaucoup plus rapidement que ne le prédisent les théories actuelles. L'antimatière manquante peut-elle se cacher à l'intérieur de ces trous noirs préhistoriques? La masse des trous noirs supermassifs est-elle comparable à au moins approximativement la quantité d'antimatière manquante?

La pensée est excitante. Explorons cette théorie et trions-la.


L'amas de galaxies MACSJ0717.5 + 3745 doit être constitué de matière, tout comme nous, ou sur la ligne de visée, nous verrions des preuves de l'anéantissement de la matière avec de l'antimatière

Quelle que soit la direction dans laquelle nous observons l'Univers, partout nous voyons la même chose: des galaxies et des étoiles, dans toutes les directions et tous les endroits de l'espace, au moins en moyenne. À petite échelle, bien sûr, les galaxies s'accumulent ensemble, mais si vous étudiez les plus grandes échelles, l'Univers partout aura en moyenne les mêmes propriétés (par exemple, la densité). S'il y avait à un endroit une galaxie composée d'antimatière et non de matière, nous verrions une énorme quantité de preuves de l'anéantissement de la matière / antimatière et un déficit de matière à la frontière entre la matière et l'antimatière. Le fait que nous n'avons trouvé de telles preuves nulle part - ni dans des galaxies individuelles, ni dans des amas de galaxies, ni dans des amas de galaxies en collision - nous indique que 99,999% + l'Univers est constitué de matière, comme nous, et non d'antimatière.


Dans les amas, les galaxies, les systèmes stellaires adjacents à nous, dans notre propre système solaire - partout il y a de sérieuses restrictions sur la proportion d'antimatière. Il n'y a aucun doute - partout dans l'Univers la matière domine.

Et c'est étrange, car, selon la compréhension actuelle des lois de la physique, nous ne connaissons pas les mécanismes qui nous permettraient de créer plus de matière que d'antimatière. La symétrie de la matière et de l'antimatière, en termes de physique des particules, est postulée encore plus strictement que vous ne pouvez l'imaginer. Par exemple:

• chaque fois qu'un quark apparaît, un antiquark est créé,
• chaque fois que le quark est détruit, l'antiquark est également détruit,
• chaque fois que le lepton apparaît ou est détruit, l'antilepton de la même famille de leptons est créé ou détruit de la même manière,
• chaque fois qu'un quark ou un lepton interagit, entre en collision ou se désintègre, le nombre total de quarks et de leptons à la fin de la réaction (quarks moins antiquarks, leptons moins antileptons) reste constant.

La seule façon d'obtenir plus de matière dans l'univers est également de créer plus d'antimatière.


Obtenir une paire de matière / antimatière (à gauche) à partir de l'énergie pure [photons] est une réaction complètement réversible (à droite), la matière / antimatière peut s'annihiler, se transformant en énergie pure. Le processus de création et d'anéantissement, obéissant à l'équation E = mc ² est le seul moyen connu pour créer et détruire la matière ou l'antimatière.

L'interprétation standard de ces faits est que, bien qu'il ne soit pas clair comment, mais dans le passé de l'Univers, la matière est apparue plus que l'antimatière. Dans l'image standard du Big Bang chaud, quand l'Univers était très jeune, un grand nombre de paires particules-antiparticules ont été créées pour toutes les particules connues (et même celles que nous découvrirons plus tard). En effet, à des températures et des densités élevées, il est possible de produire spontanément de nouvelles paires particules-antiparticules à partir d'énergie pure, grâce à E = mc ² d'Einstein. En quantités égales, ces vapeurs s'annihilent, produisant à nouveau de l'énergie pure (photons). Avec le refroidissement de l'univers, l'énergie pour faire de nouvelles paires se termine et l'annihilation commence à régner.


Avec l'expansion et le refroidissement de l'Univers, les particules instables et les antiparticules se désintègrent, les paires matière-antimatière s'annihilent et les photons ne peuvent plus entrer en collision avec une énergie suffisamment grande pour créer de nouvelles particules.

Si nous n'avions pas l'asymétrie de la matière et de l'antimatière, nous aurions un univers dans lequel pour chaque proton il y a 10 ²⁰ photons et un antiproton. Il y aurait à peu près le même nombre d'électrons et de positrons que les protons et les antiprotons - et c'est tout. Au lieu de cela, cependant, nous observons l'Univers, dans lequel pour chaque proton il n'y a «que» 1 à 2 milliards de photons. Nous supposons que dans l'Univers primitif, il y avait un certain processus asymétrique qui a généré cette asymétrie. Un exemple simple serait la création d'un nouvel ensemble de particules et d'antiparticules avec différentes préférences concernant les canaux de désintégration, ce qui pourrait conduire à un léger avantage de la matière sur l'antimatière.


Une collection symétrique de bosons de matière et d'antimatière (X, Y, anti-X et anti-Y) pourrait, avec certaines propriétés de la Grande Théorie de l'Unification , générer l'asymétrie de la matière d'antimatière que nous observons aujourd'hui dans l'Univers.

Et notre nouvelle idée? Et si, à un moment précoce, quelque chose provoquait l'effondrement de l'antimatière dans les trous noirs, laissant la matière normale derrière? Après tout, nous observons vraiment très tôt les BH supermassifs en grand nombre! Cependant, leur origine n'est pas nécessairement un problème ou une bonne motivation pour soutenir une idée aussi inhabituelle. Tout ce qui peut être expliqué sans l'implication d'une nouvelle physique doit être expliqué de cette manière, et comme pour les BH supermassifs, nous pensons que tout est une question d'effondrement direct. Pour certains BH, pour l'apparence, il n'est pas nécessaire qu'au début il y ait une étoile qui brûlerait et se transformerait en supernova; ils s'effondrent simplement, ce qui pourrait donner lieu à des «graines» de BH suffisamment grosses assez rapidement pour expliquer la présence de jeunes quasars que nous observons aujourd'hui.


Les quasars massifs éloignés dans leur noyau ont des trous noirs supermassifs. Ils sont très difficiles à créer sans une grande «graine», mais un trou noir d'effondrement direct peut résoudre élégamment cette énigme. Nous pouvons également calculer les masses des BH centraux en fonction des propriétés des quasars, et bien qu'elles soient incroyablement grandes, elles contiennent beaucoup moins de masse que la matière normale dans l'Univers.

Ne regardez donc pas vers les trous noirs supermassifs. Il y a aussi l'idée de trous noirs primaires , qui est périodiquement ressuscité en tant que candidat pour expliquer la matière noire. Ils ne peuvent pas être trop légers, sinon ils s'évaporeraient très rapidement; ils ne peuvent pas être trop lourds, sinon nous les remarquerions. La plupart des écarts de masse dans lesquels la masse des BH primaires devrait s'insérer, prétendant expliquer la masse manquante de l'Univers, ont déjà été exclus ou pris dans un cadre très serré. La création d'un BH primaire nécessite une fluctuation de densité (écart par rapport à la densité moyenne) de 68%, mais dans l'Univers primitif, les fluctuations les plus importantes ne s'écartaient pas de la densité moyenne de plus de 0,006%. En fait, la seule étendue de masse admissible qui correspond à laquelle les BH primaires pourraient être responsables d'une proportion suffisamment importante de la matière noire a déjà été rejetée par LIGO. Ses observations du taux de fusion du BH indiquent que la masse totale de ces BH contenant de 10 à 100 masses solaires ne dépasse pas 0,000017% de la densité critique.


Restrictions sur la matière noire, constituée de BH primaires. La seule «fenêtre» disponible dans laquelle la matière noire peut être constituée de trous noirs a récemment été fermée par des restrictions obtenues de LIGO sur le fond stochastique de trous noirs d'un tel écart de masse.

De plus, nous avons pu estimer la masse totale du BH dans l'Univers, et elle représente environ 0,007% de l'énergie totale . Étant donné qu'il y a 700 fois plus de matière normale que BH, l'antimatière ne peut s'y cacher; l'antimatière n'a pas donné lieu à BH.

Mais nous avons une autre façon de le savoir: les lois de la physique ont des règles de symétrie que la matière et l'antimatière doivent satisfaire. L'une de ces règles s'applique aux forces agissant sur les particules: quelle que soit la force qui agit sur une particule, une force de même ampleur (éventuellement avec le signe opposé) doit agir sur l'antiparticule. Mais cela fonctionne dans les deux sens, il ne peut donc y avoir de forces agissant uniquement sur l'antimatière. Si vous voulez que quelque chose agisse sur l'antimatière de l'Univers, il doit aussi agir sur la matière.


Le changement d'une particule en une antiparticule et leur réflexion simultanée dans un miroir est l'invariance CP. Si l'anti-miroir se rompt différemment de la normale, l'invariance est violée. La symétrie temporelle, ou T, est cassée si CP est cassé. La symétrie combinée de C, P et T doit être préservée selon les lois actuelles de la physique, ce qui affecte quelles interactions peuvent se produire et lesquelles ne peuvent pas.

Par conséquent, étant donné les lois existantes de la physique, nous sommes sûrs que l'antimatière ne pourrait pas complètement s'effondrer et se transformer en trou noir, laissant la matière normale derrière. Si la quantité de matière sombre et normale était la même, un tel raisonnement aurait du sens, mais les points suivants:

• nous n'avons pas besoin de physique exotique pour l'apparition de BH supermassifs dans l'Univers primitif;
• les BH primaires ne correspondent pas à l'idée de la formation des structures de l'Univers, et l'existence d'un grand nombre d'entre elles, pour la plupart, est exclue;
• il est interdit à l'antimatière de subir des interactions conduisant à leur transformation en BH, alors que la BH ne serait pas possible à partir de la matière normale.

assez pour revenir à l'image standard. D'une manière ou d'une autre, l'Univers a produit plus de matière que d'antimatière, à un moment donné dans un passé très lointain, et c'est pourquoi vous et moi avons pu apparaître. La façon dont cela s'est produit reste l'un des plus grands mystères non résolus de la physique d'aujourd'hui.


L'univers primitif était rempli de matière et d'antimatière, qui étaient dans une mer de radiations. Mais quand tout cela s'est anéanti après refroidissement, il reste un peu de matière. Une description précise de ce processus est connue sous le nom de problème de baryogenèse et demeure l'un des plus grands problèmes non résolus en physique.