Micro trou noir - Définition

Introduction

Les micro trous noirs sont de minuscules trous noirs hypothétiques, également appelés trous noirs quantiques ou mini trous noirs, pour lesquels les effets liés à la mécanique quantique jouent un rôle important.

Il est possible que de tels trous noirs quantiques aient été créés dans l'environnement très dense de l'univers primordial, ou au cours de transitions de phases ultérieures : on parle dans ce cas de trous noirs primordiaux. Ils pourraient être détectés prochainement par les astrophysiciens, grâce aux particules qu'ils devraient émettre par rayonnement de Hawking.

Certaines théories impliquant des dimensions d'espace supplémenaires prédisent que des micro trous noirs pourraient être formées à des énergies relativement basses, de l'ordre du TeV (tera-electron-volt) : c'est un domaine d'énergie qui sera accessible aux accélérateurs de particules tels que le LHC (Large Hadron Collider). La médiatisation de cette possibilité a provoqué des inquiétudes parmi la population. Cependant, les trous noirs quantiques éventuellement produits s'évaporeraient instantanément, soit en totalité, soit en laissant un résidu n'intéragissant que très faiblement. En plus des arguments théoriques, on constate que les rayons cosmiques dont la Terre est bombardée continuellement n'ont produit aucun cataclysme, bien que leur énergie dans le centre de masse puisse atteindre des centaines de TeV^{[réf. souhaitée]}.

Masse minimale d'un trou noir

En principe, un trou noir peut avoir n'importe quelle masse supérieure à la masse de Planck. Pour produire un trou noir, il suffit de concentrer suffisamment de masse ou d'énergie dans une région donnée, en sorte que la vitesse d'échappement de cette région soit supérieure à la vitesse de la lumière. Cette condition donne le rayon de Schwarzschild, R = 2GM / c²,
où G est la constante de Newton
et c la vitesse de la lumière.
. Cela correspond à la taille d'un trou noir de masse M.
Par ailleurs, la longueur d'onde de Compton λ = h / Mc,
où h est la constante de Planck,
représente la taille de la plus petite région où l'on puisse localiser une masse M au repos. Pour M suffisamment faible, la longueur d'onde Compton excède le rayon de Schwarzschild, et il est impossible de former un trou noir. La masse minimale d'un trou noir est ainsi du même ordre de grandeur que la masse de Planck, . Celle-ci vaut environ 2 × 10⁻⁸ kg, soit 1.2 × 10¹⁶ TeV/c².

Certaines extensions de la physique contemporaine supposent l'existence de dimensions d'espace supplémentaires. Dans ces conditions, la force de gravité peut augmenter plus rapidement quand la distance diminue que dans la représentation habituelle d'un espace à trois dimensions. Pour certaines configuration des dimensions supplémentaires, cet effet pour réduire la masse de Planck jusqu'à l'échelle du TeV. Si les prédictions de ces modèles sont vraies, la production de micro trous noirs pourrait être un effet important et observable au LHC. Ce serait aussi un phénomène naturel courant provoqué par les rayons cosmiques.

Trous noirs primordiaux

Formation dans l'univers primordial

La production d'un trou noir requiert la concentration de masse ou d'énergie à l'intérieur du rayon de Schwarzschild correspondant. On pense que, peu de temps après le Big Bang, l'Univers était suffisamment dense pour être contenu dans son propre rayon de Schwarzschild. Cependant, la rapidité de son expansion lui aurait alors évité l'effondrement gravitationnel. Ceci n'exclut pas la possibilité que des trous noirs de tailles diverses se soient formés localement. Les trous noirs formés de cette façon sont nommés trous noirs primordiaux. Il s'agit de la théorie la plus largement acceptée pour la formation de micro trous noirs.

Effets observables attendus

Chaque trou noir primordial de masse suffisamment faible devrait s'évaporer par rayonnement de Hawking jusqu'à atteindre la masse de Planck, durant le temps vie de l'Univers. Ainsi, les trous noirs primordiaux ayant eu une masse initiale d'environ 10¹⁵ grammes seraient actuellement en phase finale d'évaporation (les plus légers ayant déjà terminé de s'évaporer). Dans les circonstances optimales, le (télescope spatial Fermi) destiné à l'astronomie gamma, qui a été lancé en juin 2008, pourrait détecter des preuves expérimentales de l'existence et de l'évaporation des trous noirs primordiaux, en observant des sursauts gamma associés à leur fin de vie.

Il est peu probable qu'une collision entre un micro trou noir et un objet comme une étoile ou une planète présente des effets observables. En effet, la taille de ces trous noirs est si réduite qu'ils pourraient passer à travers la matière ordinaire, constituée d'atomes, sans interagir avec plus de quelques uns de ces atomes.