Selon Priyamvada Natarajan, l’univers regorge de trous noirs. Des corps célestes invisibles avec une telle gravité que même la lumière ne peut s’en échapper. Leur nombre peut se chiffrer en milliers de milliards. Et ils sont tous apparus alors que l’univers n’avait qu’une fraction de seconde.
Eh bien, l’astronome indien, affilié à l’université américaine de Yale, n’en est bien sûr pas sûr. Il n’y a pas encore de véritable preuve convaincante. « Mais c’est une idée plausible », dit Natarajan. Avec deux collègues, elle publiera prochainement un article majeur à ce sujet dans la revue spécialisée Le Journal Astrophysique†
La beauté de l’idée spéculative : vous faites d’une pierre trois coups. Trois problèmes urgents en astronomie disparaîtront comme neige au soleil si le big bang, qui a annoncé la naissance de l’univers il y a 13,8 milliards d’années, était effectivement une usine à trous noirs. Pas étonnant que ces « trous noirs primordiaux » (trous noirs primordiaux) ont gagné en popularité ces dernières années.
durs à cuire
Les astronomes connaissent deux types de trous noirs : légers et lourds. Des concepts relatifs, car les spécimens légers pèsent déjà 2,5 à environ 25 fois plus que notre soleil. Ce sont les restes d’étoiles géantes explosées. Les trous noirs de la deuxième catégorie peuvent être quelques millions voire quelques milliards de fois plus massifs que le Soleil. Ces trous noirs supermassifs sont situés au cœur de galaxies telles que notre propre Voie lactée.
Ces dernières années, cependant, les astronomes ont mesuré des ondes gravitationnelles – de minuscules ondulations dans l’espace vide – émanant de trous noirs en collision au plus profond de l’univers. Les mesures montrent qu’elles sont parfois des dizaines de fois plus lourdes que le soleil. Difficile à expliquer avec les théories actuelles. Sauf s’ils n’ont pas été créés par des explosions d’étoiles, mais bien plus tôt, lors du Big Bang. Problème 1 résolu.
Il y a aussi quelque chose d’étrange dans les supermassifs au cœur des galaxies. Ils ont dû s’engraisser au fil du temps en avalant d’énormes quantités de gaz et d’étoiles de leur environnement. Cela prend du temps, bien sûr. Pourtant, à d’énormes distances dans le cosmos, où vous regardez plusieurs milliards d’années en arrière, tous ces durs à cuire ont été trouvés. Comment des trous noirs aussi gigantesques ont-ils pu exister si peu de temps après le Big Bang ? Peut-être parce que les premiers « germes » étaient déjà là depuis la naissance de l’univers. Problème de sortie 2.
Le troisième et peut-être le problème le plus important auquel les trous noirs primordiaux offrent une solution est le mystère de la matière noire. Les mesures de gravité montrent qu’il doit y avoir six fois plus de matière dans l’univers que ce que les astronomes peuvent voir avec des télescopes. La composition de l’univers vous dit que la matière noire ne peut pas être constituée de noyaux atomiques ordinaires. Les recherches de particules élémentaires inconnues n’ont pour l’instant rien donné. Ils ne peuvent pas non plus être des trous noirs « ordinaires » : ils sont loin d’être assez nombreux. Mais si des milliards de trous anciens se sont formés peu après le Big Bang, le problème de la matière noire a également disparu.
Bernard Carr de l’Université Queen Mary à Londres ne pense pas que ce soit une idée farfelue. « La matière noire est généralement supposée être constituée d’une particule mystérieuse », dit-il, « mais c’est principalement parce qu’il y a beaucoup plus de physiciens des particules que d’astronomes. » Maintenant que cette particule « totalement hypothétique » n’a toujours pas été trouvée, les gens commencent à se gratter la tête, a déclaré Carr. « Nous savons que les trous noirs existent – vous n’avez pas besoin d’un concept complètement nouveau pour eux. »
Stephen Hawking
Il n’est pas surprenant que Carr soit enthousiasmé par les trous noirs primordiaux. En 1974, alors qu’il était doctorant à l’Université de Cambridge, il a publié un article révolutionnaire sur cette trous noirs primordiaux, avec son professeur d’alors Stephen Hawking. Bien qu’elle ait déjà fait l’objet de spéculations dans les années 1960, notamment par le Russe Igor Novikov, leur publication a vraiment mis l’idée sur la carte pour la première fois.
Une fraction de seconde après le Big Bang, l’Univers en expansion était non seulement extrêmement chaud, mais il était aussi incroyablement dense. Mais ce n’était pas exactement la même chose partout : peut-être y avait-il de minuscules zones où la densité était encore largement supérieure à la moyenne, ont suggéré Carr et Hawking. Ces zones pourraient s’effondrer sous leur propre gravité en trous noirs microscopiques : aussi petits qu’un noyau atomique, mais aussi massifs que le mont Everest.
Pendant un instant, il a semblé que cette théorie pouvait résoudre une énigme complètement différente en astronomie. Les astronomes avaient découvert de mystérieuses explosions de rayons gamma à haute énergie dans l’univers, et les trous primordiaux de Carr et Hawking offraient une brillante explication. Hawking a calculé que les trous noirs s’évaporent lentement mais sûrement avec le temps en émettant ce que l’on appelle maintenant le rayonnement de Hawking – un effet inévitable de la physique quantique. Cette évaporation s’accélère à mesure que le trou noir s’éclaircit et se termine par une violente explosion. Pour un trou noir « ordinaire », ce processus prend un temps inimaginable, mais les trous microscopiques de l’origine de l’univers auraient une durée de vie d’environ dix à vingt milliards d’années. Vous devriez donc pouvoir le voir exploser maintenant.
Cependant, les sursauts gamma cosmiques semblaient provenir d’une manière différente. le trous noirs primordiaux par Carr et Hawking ne pourraient jamais être assez nombreux pour expliquer la matière noire dans l’univers. L’idée entière est progressivement tombée en disgrâce, notamment parce que de nombreux contre-arguments sont apparus au fil du temps.
Vous vous attendriez donc à ce qu’il y ait une sorte de distribution naturelle dans les masses de ces anciens trous : un nombre improbable de très petits, mais aussi d’innombrables spécimens de poids moyen et un grand nombre de garçons très lourds. Précisément, ces trous primordiaux les plus grands et les plus lourds devraient trahir leur existence de toutes sortes d’autres manières, et rien ne s’est avéré être le cas.
De plus, des mesures de précision du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes – une sorte de « rémanence » du Big Bang – montrent que les variations de densité dans l’univers nouveau-né étaient extrêmement faibles : une infime fraction d’un pour cent, ce qui est bien trop peu pour la production de trous noirs. Certes, ces mesures ne concernent que des zones relativement étendues, mais il semble bien utopique de supposer qu’à petite échelle ce serait soudainement complètement différent. Il y a donc toujours eu de nombreux théoriciens qui renvoient résolument l’idée de trous noirs primordiaux au domaine des fables.
Trous anciens sous le radar
Mais le vent tourne, note Carr, qui a maintenant 73 ans. « J’ai plus de 45 ans trous noirs primordiaux travaillé », dit-il, « et ces dernières années, d’autres chercheurs sont redevenus enthousiastes ». Comme l’astronome de Yale Priyamvada Natarajan, qui s’y est désormais mis avec Nico Cappelluti de l’université de Miami et Günther Hasinger, directeur scientifique de l’Agence spatiale européenne (ESA).
Peu de temps après sa naissance, l’Univers a subi quelques transitions de phase discrètes, quelque peu similaires aux transitions de la vapeur d’eau à l’eau liquide et de l’eau à la glace. Au cours de ces transitions de phase, des trous noirs primordiaux avec des masses assez spécifiques peuvent s’être formés, explique Natarajan via une connexion Zoom depuis l’Inde, où elle rend visite à ses parents. Il n’y a alors pas de distribution de masse naturelle. Par exemple, les anciens trous peuvent être restés sous le radar astronomique jusqu’à présent.
Mais cela risque de ne pas durer longtemps. Selon Cappelluti, Hasinger et Natarajan, l’existence de trous noirs primordiaux pourrait bientôt être démontrée par le nouveau télescope spatial James Webb, lancé fin décembre, ou par le futur détecteur d’ondes gravitationnelles LISA, lancé par l’ESA au milieu des années 1930.
Webb revient sur quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Si l’univers nouveau-né était peuplé de trous noirs primordiaux, ils auraient exercé une gravité supplémentaire sur leur environnement. Les étoiles et les galaxies se sont alors formées bien plus tôt que ne le suggèrent les théories actuelles, explique Natarajan, et Webb devrait être en mesure de le voir. On s’attendrait également à ce que les trous noirs entrent en collision plus souvent dans la jeunesse de l’univers – après tout, c’est ainsi que les premiers supermassifs se sont formés au cœur des galaxies. LISA peut détecter les ondes gravitationnelles de ces premières collisions.
Des milliards de trous noirs aussi vieux que l’univers lui-même, et qui malgré leur nature obscure éclairent d’un jour nouveau le mystère de la matière noire, Bernard Carr a hâte d’avoir la preuve de leur existence. « Les indices se renforcent », dit-il, « peut-être aurons-nous la réponse dans une décennie. »
Dossiers du trou noir
– Ce premier trou noir Celui qui a été identifié avec certitude est Cygnus X-1, en 1971. Il est situé dans notre propre galaxie, la Voie lactée, à 7200 années-lumière dans la constellation du Cygne, et pèse plus de 21 fois le Soleil. La découverte révolutionnaire a été faite par Louise Webster et Paul Murdin de l’Observatoire de Greenwich.
– Ce trou noir le plus lourd découvert jusqu’à présent réside au cœur de la galaxie TON 618, à quelque 11 milliards d’années-lumière. On estime qu’il est 66 milliards de fois plus massif que le Soleil. Cependant, la détermination de la masse est incertaine. Au total, il y a environ 25 trous noirs connus qui sont probablement plus lourds qu’un milliard de masses solaires.
– Ce trou noir le plus léger, appelé XTE J1819-254, pèse six fois plus que le Soleil. Il est situé à plus de 20 000 années-lumière dans la constellation du Sagittaire. Le trou noir aspire le gaz d’une étoile en orbite autour de lui. Ce gaz est si chaud qu’il émet des rayons X ; c’est ainsi que le trou noir a été découvert.
– Ce trou noir le plus proche est XTE J1118 + 480, situé à environ 5 700 années-lumière dans la constellation de la Grande Ourse. Il est 6,5 fois plus massif que le soleil. Des objets candidats plus proches (et plus légers), tels que « la Licorne » (1500 années-lumière, 3 masses solaires), ne sont pas connus avec certitude s’il s’agit vraiment de trous noirs.
– Le collision la plus lourde de deux trous noirs a été détecté le 21 mai 2019 par les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo. Les trous noirs en collision étaient 66 et 85 fois plus massifs que le Soleil. L’impact s’est produit à une distance si grande que les ondes gravitationnelles ont mis 7 milliards d’années pour arriver sur Terre.