De petits trous noirs primordiaux pourraient se cacher à l’intérieur de planètes et d’astéroïdes

Une étude suggère que de petits trous noirs primordiaux pourraient se cacher à l’intérieur d’objets tels que des corps planétaires et des astéroïdes. Selon les résultats, si le noyau est liquide, le trou noir « l’aspire », laissant ainsi un creux. Ces petits trous noirs pourraient aussi être éjectés (suite à une collision) en laissant des traces de leur passage — qu’il serait possible de détecter avec des techniques existantes.

Les plus petits des trous noirs ordinaires se forment à la suite de l’effondrement d’étoiles dont la masse équivaut au moins à 8 fois celle du Soleil — le minimum requis pour provoquer un effondrement gravitationnel suffisamment important pour générer un trou noir. Les étoiles plus légères quant à elles, deviennent à la fin de leur vie soit des naines blanches, soit des étoiles à neutrons.

Cependant, il a été suggéré que les conditions particulières de l’univers primitif auraient pu donner lieu à la formation de trous noirs beaucoup plus petits, dont la masse irait de quelques grammes à celle d’un astéroïde ou d’un corps planétaire. Prédits pour la première fois en 1966 par les physiciens russes Igor D. Novikov et Yakov Zeldovich, ces hypothétiques trous noirs primordiaux (PHB) se seraient formés à la suite de l’effondrement gravitationnel de poches de matière hyperdenses, au cours de la période d’inflation de l’Univers.

Les travaux de Stephen Hawking sur les PBH ont également conduit à la découverte révolutionnaire selon laquelle les trous noirs peuvent s’évaporer au fil du temps par un phénomène baptisé « rayonnement de Hawking ». Alors que les grands trous noirs et ceux intermédiaires mettraient énormément de temps à s’évaporer, les PBH disparaîtraient beaucoup plus rapidement.

Cependant, malgré plusieurs décennies de recherche, aucun PHB n’a jamais été observé. Or, leur détection permettrait de résoudre certaines des plus grandes énigmes de l’Univers. Ils sont notamment proposés comme candidats à la matière noire, ou comme étant à l’origine des ondes gravitationnelles primordiales (observées dans le fond diffus cosmologique et présentes aux tout premiers instants du Big Bang). Ils pourraient aussi éclairer certains problèmes cosmologiques tels que celui des monopôles magnétiques.

De petits trous noirs « aspirant » les noyaux liquides des planètes et des astéroïdes ?

De récentes études ont précédemment suggéré que de petits PHB (dont la masse est comprise entre 10¹⁷ et 10²⁴ grammes) pourraient être présents à l’intérieur d’étoiles de la séquence principale (de masse comparable à celle du Soleil), d’étoiles à neutrons et d’étoiles naines. Ils pourraient être soit capturés par ces étoiles, soit piégés à l’intérieur lors de leur formation. Le gaz à l’intérieur de ces dernières pourrait ainsi être lentement consommé par leur PHB interne.

Le duo de chercheurs de la nouvelle étude (de l’Université nationale Dong Hwa, à Taiwan, et du Case Western Reserve University, à Cleveland) propose d’étendre cette hypothèse en suggérant que de petits PBH pourraient être emprisonnés à l’intérieur de corps planétaires et d’astéroïdes. Si ces objets possèdent un noyau liquide entouré d’une couche externe solide, le PHB absorberait ce noyau. Si la croûte externe est suffisamment solide, le processus laisserait ainsi une structure creuse.

« Si un astéroïde, une lune ou une petite planète (planétoïde) possède un noyau liquide entouré d’une croûte solide, alors un petit PBH consommera le noyau liquide dense relativement rapidement (en quelques semaines ou quelques mois) », expliquent les chercheurs à Universe Today. Des trous pourraient aussi se former à la suite de l’éjection du trou noir due la collision de la planète ou de l’astéroïde avec un autre objet. La collision des objets avec le PHB lui-même pourrait aussi laisser des traces creuses. Si le trou noir est évacué, la densité de l’objet serait inférieure à celle d’autres corps similaires à noyau liquide.

Cependant, la question principale est de savoir si un corps massif creux peut rester intact sans s’effondrer sous son propre poids. « La croûte reste intacte si le matériau est suffisamment solide pour supporter la contrainte gravitationnelle », indiquent les physiciens. Pour explorer cette hypothèse, ils ont calculé la contrainte gravitationnelle que les petits PHB pourraient générer, puis comparé les résultats avec la résistance à la compression des matériaux composant habituellement les croûtes rocheuses, tels que les minéraux silicatés et le fer. Ils ont également pris en compte les matériaux synthétiques les plus résistants, tels que les nanotubes de carbone multicouches.

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Ils ont constaté que le granit peut supporter des structures creuses dont le rayon pourrait atteindre un dixième de celui de la Terre, sans s’effondrer. Selon les chercheurs, cela constituerait une raison suffisamment solide pour se concentrer sur les planétoïdes, les lunes et les astéroïdes pour la détection des PHB. D’autre part, si un petit PHB était éjecté d’un matériau solide, il laisserait un long microtunnel rectiligne de rayon équivalent (comme illustré ci-dessus). L’éjection d’un PHB de 10²³ grammes laisserait par exemple un tunnel d’un rayon de 0,1 micron.

Possibilité de détection par le biais de techniques existantes

Les chercheurs estiment que bien que l’énergie des petits PHB soit conséquente, celle qu’ils laisseraient après leur passage serait infime. De tels PHB pourraient même traverser un corps humain sans laisser de traces, car nos tissus ont une tension très faible… Ils suggèrent donc plutôt de rechercher des traces de leur passage (les microtunnels), ce qui serait, selon eux, relativement facile avec les techniques existantes d’analyse rocheuse ou d’autres structures solides comme le verre.

Les sondes, les atterrisseurs et les autres missions spatiales robotisées pourraient être équipés de détecteurs dédiés à la détection de tels microtunnels. Les experts suggèrent que de grandes plaques métalliques polies et isolées pourraient aussi être utilisées à cet effet, en détectant les changements soudains de leurs propriétés. Il a également été suggéré que les PHB émettraient des niveaux élevés de rayonnement gamma, pouvant potentiellement être détectés par le biais de capteurs terrestres. Les résultats de l’étude sont détaillés dans la revue Physics of the Dark Universe.

Source : Physics of the Dark Universe