Matière noire : serait-elle constituée de trous noirs primordiaux issus du multivers ?

L’astrophysique classe officiellement les trous noirs en trois catégories, selon leur masse : les trous noirs stellaires, les trois noirs intermédiaires et les trous noirs supermassifs. Mais la cosmologie théorique propose des hypothèses supplémentaires comme les micro trous noirs ou les trous noirs primordiaux (PBH). Ces derniers se seraient formés dans l’Univers primitif bien avant la naissance des premières étoiles. Certaines théories suggèrent que les PBH pourraient constituer une partie de la matière noire. Récemment, une équipe de chercheurs du Kavli Institute a proposé un scénario pour la formation des PBH impliquant le multivers inflationnaire. Ces travaux ont déjà débouché sur une nouvelle série d’observations visant à déterminer si, par ce biais, les trous noirs primordiaux pourraient effectivement constituer la matière noire.

Les trous noirs primordiaux pourraient représenter une partie de la matière noire, être responsables de certains des signaux d’ondes gravitationnelles observés et être la source des trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies. Ils pourraient également jouer un rôle dans la synthèse d’éléments lourds lorsqu’ils entrent en collision avec des étoiles à neutrons et les détruisent, libérant des matériaux riches en neutrons.

En particulier, il existe une possibilité que la mystérieuse matière noire, qui représente la majeure partie de la matière dans l’Univers, soit partiellement composée de trous noirs primordiaux. Le prix Nobel de physique 2020 a été décerné à un théoricien, Roger Penrose, et à deux astronomes, Reinhard Genzel et Andrea Ghez, pour leurs découvertes qui ont confirmé l’existence des trous noirs.

Pour en savoir plus sur les trous noirs primordiaux, l’équipe de recherche s’est penchée sur l’Univers primitif à la recherche d’indices. L’Univers primitif était si dense que toute fluctuation de densité positive de plus de 50% créerait un trou noir. Cependant, les perturbations cosmologiques qui ont ensemencé les galaxies sont connues pour être beaucoup plus petites. Néanmoins, un certain nombre de processus dans l’Univers primitif auraient pu créer les bonnes conditions pour la formation des trous noirs. L’étude a été publiée dans la revue (très sérieuse) Physical Review Letters.

Des bébés univers aux trous noirs primordiaux

Une possibilité passionnante est que des trous noirs primordiaux pourraient se former à partir des « bébés univers » créés pendant l’inflation, une période d’expansion rapide qui serait responsable de la formation des structures que nous observons aujourd’hui, telles que les galaxies et les amas de galaxies. Pendant l’inflation, les bébés univers peuvent se détacher de notre univers. Un petit bébé univers finirait par s’effondrer, mais la grande quantité d’énergie libérée dans le petit volume provoquerait alors la formation d’un trou noir.

Un destin encore plus particulier attend un bébé univers plus grand. S’il est plus grand qu’une certaine taille critique, la théorie de la relativité générale d’Einstein permet au bébé univers d’exister dans un état qui semble différent pour des observateurs intérieur et extérieur. Un observateur interne le voit comme un univers en expansion, tandis qu’un observateur extérieur le voit comme un trou noir.

Dans les deux cas, le grand comme le petit bébé univers sont considérés par des observateurs extérieurs comme des trous noirs primordiaux, qui dissimulent la structure sous-jacente de multiples univers derrière leurs horizons des événements (l’horizon des événements est une limite en dessous de laquelle tout, même la lumière, est piégé et ne peut pas échapper au trou noir).

Une matière noire composée de PBH ? L’observation pour tester l’hypothèse

Dans leur article, l’équipe a décrit un nouveau scénario pour la formation des PBH et a montré que les trous noirs du scénario impliquant un multivers peuvent être trouvés en utilisant l’Hyper Suprime-Cam (HSC) du télescope Subaru de 8.2 m, l’équivalent d’un appareil photo numérique gigantesque situé près du sommet (à 4200 mètres) du mont Mauna Kea à Hawaï. L’équipe du HSC a d’ailleurs récemment signalé des contraintes majeures sur l’existence des PBH.

Pourquoi la HSC était-elle indispensable dans cette recherche ? La HSC a une capacité unique à imager la galaxie d’Andromède toutes les quelques minutes. Si un trou noir passe à travers la ligne de visée de l’une des étoiles, la gravité du trou noir dévie les rayons lumineux et fait apparaître l’étoile plus brillante pendant une courte période. La durée de l’éclaircissement de l’étoile indique aux astronomes la masse du trou noir. Avec les observations de la HSC, on peut observer simultanément cent millions d’étoiles, une large fenêtre pour les trous noirs primordiaux qui peuvent traverser l’une des lignes de visée.

Les premières observations de la HSC ont déjà rapporté un événement candidat très intrigant compatible avec un PBH du « multivers », avec une masse de trou noir comparable à la masse de la Lune. Encouragée par ce premier signe et guidée par leur nouvelle théorie, l’équipe mène une nouvelle série d’observations pour étendre la recherche et fournir un test définitif pour savoir si les PBH du scénario multivers peuvent rendre compte de toute la matière noire.

Sources : arXiv