Les astrophysiciens essaient de comprendre la formation des objets et des phénomènes cosmologiques dans l’univers depuis des décennies. Des études théoriques passées suggèrent que les fluctuations quantiques dans l’univers primitif, connues sous le nom de diffusion quantique primordiale, pourraient avoir donné naissance à ce que l’on appelle des trous noirs primordiaux.
Dans un article publié dans Lettres d’examen physique, des chercheurs de l’Institut Niels Bohr, de l’Universidad Autónoma de Madrid et du CNRS Université de Paris ont récemment exploré la possibilité que ces fluctuations puissent également affecter la création de structures cosmologiques encore plus grandes, telles que des amas de galaxies lourds comme « El Gordo ». El Gordo est le plus grand amas de galaxies lointaines jamais observé à l’aide de télescopes existants, qui a été capturé pour la première fois il y a plus de 10 ans.
« La question de savoir comment la structure s’est formée dans l’univers est peut-être l’une des plus anciennes, mais depuis le début des années 1980, elle a acquis une nouvelle dimension », a déclaré à Phys.org Jose María Ezquiaga, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. . « À l’époque, les scientifiques ont réalisé l’incroyable connexion entre les plus petites et les plus grandes échelles, dans lesquelles les fluctuations quantiques dans l’univers tout jeune sont étirées par une inflation cosmique pour amorcer la formation de galaxies et de structures à grande échelle dans l’univers. »
Après que les physiciens ont commencé à en apprendre davantage sur les liens entre l’univers primitif et tardif, l’idée que des trous noirs pourraient se former dans l’univers primitif a commencé à émerger. En 2015, les premières observations de fusions de trous noirs via des ondes gravitationnelles ont renouvelé l’intérêt pour ce domaine, suscitant de nouvelles études théoriques portant sur l’origine primordiale des trous noirs.
« Juan, Vincent et moi avions enquêté sur la formation de trous noirs primordiaux dans l’univers primitif », a déclaré Ezquiaga. « Notre principale contribution a été de réaliser que lorsque les fluctuations quantiques dominent la dynamique de l’inflation cosmique, cela conduit à un spectre de fluctuations de densité non gaussien, avec de lourdes queues exponentielles. En d’autres termes, la diffusion quantique facilite la génération de grandes fluctuations. qui s’effondrerait dans un trou noir primordial. »
Après avoir étudié les trous noirs primordiaux dans l’univers primitif, Ezquiaga et ses collègues Vincent Vennin et Juan Garcia-Bellido ont commencé à se demander si le même mécanisme sous-tendant leur formation, à savoir une queue non gaussienne améliorée dans la distribution des perturbations primordiales, pouvait également conduire à la formation d’autres très grandes structures cosmologiques. Dans leurs travaux récents, ils ont spécifiquement exploré la possibilité que ce mécanisme affecte l’effondrement d’objets plus grands tels que les halos de matière noire, qui hébergeront plus tard des galaxies et des groupes de galaxies.
« La formation d’objets plus grands au début de l’histoire de l’univers pourrait aider à atténuer certaines tensions entre les observations et notre modèle cosmologique standard », a expliqué Ezquiaga. « Par exemple, selon des hypothèses standard, des amas massifs comme El Gordo peuvent sembler aberrants, tandis que la diffusion quantique les rend naturels. »
Dans le cadre de leur étude récente, Ezquiaga et ses collègues ont calculé la fonction de masse du halo et l’abondance des amas en fonction du décalage vers le rouge en présence de lourdes queues exponentielles. Cela leur a permis de déterminer si la diffusion quantique pouvait augmenter le nombre de grands amas de galaxies, appauvrissant les halos de matière noire.
« Parce que la gravité est toujours attrayante, les inhomogénéités ne feront que croître à mesure que les surdensités attireront de la masse pour leur environnement et les sous-densités deviendront plus vides », a déclaré Ezquiaga. « La question est de savoir si les inhomogénéités dans l’univers primitif sont suffisamment importantes et fréquentes pour conduire à l’effondrement gravitationnel nécessaire pour expliquer les structures observées dans le cosmos. Étant donné une distribution initiale des perturbations, il suffit d’appuyer sur « jouer » et de laisser le système évoluer. gravitationnellement, Dans notre cas, nous avons eu un compréhension précédente de la distribution des perturbations initiales en incluant la diffusion quantique, notre travail dans ce travail était donc de paramétrer de manière appropriée ce spectre et d’analyser les résultats pour le nombre d’amas massifs en fonction du décalage vers le rouge. »
L’article des chercheurs suggère que les fluctuations quantiques dans l’univers primitif pourraient non seulement sous-tendre la formation de galaxies de taille moyenne et de trous noirs primordiaux, mais aussi celle d’amas de galaxies massifs, comme les fascinants amas « El Gordo » et Pandora. Cela signifierait que les observations actuelles des amas de galaxies pourraient être expliquées à l’aide des théories existantes, sans qu’il soit nécessaire d’incorporer une nouvelle physique dans le modèle standard.
« L’autre résultat très excitant de notre travail est qu’il prédit des signatures uniques qui pourraient être testées dans un avenir proche », a déclaré Ezquiaga. « En particulier, nous démontrons que la diffusion quantique facilite non seulement la formation précoce de clusters lourds, mais également que la quantité de sous-structure devrait être inférieure à celle attendue. »
L’amélioration simultanée des structures cosmologiques massives et l’épuisement des sous-structures (c’est-à-dire les halos) ne sont pas prédits par d’autres modèles théoriques. Néanmoins, cette explication théorique potentielle de la formation de grands amas de galaxies semble être alignée sur les observations cosmologiques récentes et pourrait également résoudre d’autres lacunes du modèle standard.
Dans leurs prochaines études, Ezquiaga et ses collègues aimeraient brosser un tableau plus complet des structures de l’univers et de leur formation. Cela pourrait également aider à sonder pleinement les prédictions de la diffusion quantique.
« La prochaine étape pour nous consiste à tester pleinement les prédictions de ce modèle par rapport aux observations », a ajouté Ezquiaga. « Heureusement, il y a beaucoup de nouvelles observations que nous pouvons utiliser. En particulier, les observations très récentes du télescope spatial James Webb semblent indiquer qu’il y a beaucoup plus de galaxies massives à décalage vers le rouge élevé, quelque chose qui s’aligne naturellement sur nos prédictions, mais nous attendons pour que les astronomes comprennent pleinement leur systématique et confirment cette population « inattendue ». Les autres observations qui pourraient être intéressantes pour nous sont le nombre de galaxies naines avec des relevés de galaxies comme le Dark Energy Survey et les contraintes sur les sous-halos dues à une forte lentille. »
Plus d’information:
Jose María Ezquiaga et al, Massive Galaxy Clusters Like El Gordo Hint at Primordial Quantum Diffusion, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.121003
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