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Selon Priyamvada Natarajan, l’univers regorge de trous noirs. Des corps c\u00e9lestes invisibles avec une telle gravit\u00e9 que m\u00eame la lumi\u00e8re ne peut s’en \u00e9chapper. 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.\n <\/p>\n
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Eh bien, l’astronome indien, affili\u00e9 \u00e0 l’universit\u00e9 am\u00e9ricaine de Yale, n’en est bien s\u00fbr pas s\u00fbr. Il n’y a pas encore de v\u00e9ritable preuve convaincante. “Mais c’est une id\u00e9e plausible”, dit Natarajan. Avec deux coll\u00e8gues, elle publiera prochainement un article majeur \u00e0 ce sujet dans la revue sp\u00e9cialis\u00e9e Le Journal Astrophysique<\/i>\u2020\n <\/p>\n
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La beaut\u00e9 de l’id\u00e9e sp\u00e9culative : vous faites d’une pierre trois coups. Trois probl\u00e8mes urgents en astronomie dispara\u00eetront comme neige au soleil si le big bang, qui a annonc\u00e9 la naissance de l’univers il y a 13,8 milliards d’ann\u00e9es, \u00e9tait effectivement une usine \u00e0 trous noirs. Pas \u00e9tonnant que ces “trous noirs primordiaux” (trous noirs primordiaux<\/i>) ont gagn\u00e9 en popularit\u00e9 ces derni\u00e8res ann\u00e9es.\n <\/p>\n\n
durs \u00e0 cuire
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Les astronomes connaissent deux types de trous noirs : l\u00e9gers et lourds. Des concepts relatifs, car les sp\u00e9cimens l\u00e9gers p\u00e8sent d\u00e9j\u00e0 2,5 \u00e0 environ 25 fois plus que notre soleil. Ce sont les restes d’\u00e9toiles g\u00e9antes explos\u00e9es. Les trous noirs de la deuxi\u00e8me cat\u00e9gorie peuvent \u00eatre quelques millions voire quelques milliards de fois plus massifs que le Soleil. Ces trous noirs supermassifs sont situ\u00e9s au c\u0153ur de galaxies telles que notre propre Voie lact\u00e9e.\n <\/p>\n
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Ces derni\u00e8res ann\u00e9es, cependant, les astronomes ont mesur\u00e9 des ondes gravitationnelles – de minuscules ondulations dans l’espace vide – \u00e9manant 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 \u00e0 expliquer avec les th\u00e9ories actuelles. Sauf s’ils n’ont pas \u00e9t\u00e9 cr\u00e9\u00e9s par des explosions d’\u00e9toiles, mais bien plus t\u00f4t, lors du Big Bang. Probl\u00e8me 1 r\u00e9solu.\n <\/p>\n
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Il y a aussi quelque chose d’\u00e9trange dans les supermassifs au c\u0153ur des galaxies. Ils ont d\u00fb s’engraisser au fil du temps en avalant d’\u00e9normes quantit\u00e9s de gaz et d’\u00e9toiles de leur environnement. Cela prend du temps, bien s\u00fbr. Pourtant, \u00e0 d’\u00e9normes distances dans le cosmos, o\u00f9 vous regardez plusieurs milliards d’ann\u00e9es en arri\u00e8re, tous ces durs \u00e0 cuire ont \u00e9t\u00e9 trouv\u00e9s. Comment des trous noirs aussi gigantesques ont-ils pu exister si peu de temps apr\u00e8s le Big Bang ? Peut-\u00eatre parce que les premiers \u00ab germes \u00bb \u00e9taient d\u00e9j\u00e0 l\u00e0 depuis la naissance de l’univers. Probl\u00e8me de sortie 2.\n <\/p>\n
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Le troisi\u00e8me et peut-\u00eatre le probl\u00e8me le plus important auquel les trous noirs primordiaux offrent une solution est le myst\u00e8re de la mati\u00e8re noire. Les mesures de gravit\u00e9 montrent qu’il doit y avoir six fois plus de mati\u00e8re dans l’univers que ce que les astronomes peuvent voir avec des t\u00e9lescopes. La composition de l’univers vous dit que la mati\u00e8re noire ne peut pas \u00eatre constitu\u00e9e de noyaux atomiques ordinaires. Les recherches de particules \u00e9l\u00e9mentaires inconnues n’ont pour l’instant rien donn\u00e9. Ils ne peuvent pas non plus \u00eatre des trous noirs \u00ab ordinaires \u00bb : ils sont loin d’\u00eatre assez nombreux. Mais si des milliards de trous anciens se sont form\u00e9s peu apr\u00e8s le Big Bang, le probl\u00e8me de la mati\u00e8re noire a \u00e9galement disparu.\n <\/p>\n
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Bernard Carr de l’Universit\u00e9 Queen Mary \u00e0 Londres ne pense pas que ce soit une id\u00e9e farfelue. “La mati\u00e8re noire est g\u00e9n\u00e9ralement suppos\u00e9e \u00eatre constitu\u00e9e d’une particule myst\u00e9rieuse”, 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 hypoth\u00e9tique” n’a toujours pas \u00e9t\u00e9 trouv\u00e9e, les gens commencent \u00e0 se gratter la t\u00eate, a d\u00e9clar\u00e9 Carr. “Nous savons que les trous noirs existent – vous n’avez pas besoin d’un concept compl\u00e8tement nouveau pour eux.”\n <\/p>\n Stephen Hawking \n Il n’est pas surprenant que Carr soit enthousiasm\u00e9 par les trous noirs primordiaux. En 1974, alors qu’il \u00e9tait doctorant \u00e0 l’Universit\u00e9 de Cambridge, il a publi\u00e9 un article r\u00e9volutionnaire sur cette trous noirs primordiaux<\/i>, avec son professeur d’alors Stephen Hawking. Bien qu’elle ait d\u00e9j\u00e0 fait l’objet de sp\u00e9culations dans les ann\u00e9es 1960, notamment par le Russe Igor Novikov, leur publication a vraiment mis l’id\u00e9e sur la carte pour la premi\u00e8re fois.\n <\/p>\n \n Une fraction de seconde apr\u00e8s le Big Bang, l’Univers en expansion \u00e9tait non seulement extr\u00eamement chaud, mais il \u00e9tait aussi incroyablement dense. Mais ce n’\u00e9tait pas exactement la m\u00eame chose partout : peut-\u00eatre y avait-il de minuscules zones o\u00f9 la densit\u00e9 \u00e9tait encore largement sup\u00e9rieure \u00e0 la moyenne, ont sugg\u00e9r\u00e9 Carr et Hawking. Ces zones pourraient s’effondrer sous leur propre gravit\u00e9 en trous noirs microscopiques : aussi petits qu’un noyau atomique, mais aussi massifs que le mont Everest.\n <\/p>\n \n Pendant un instant, il a sembl\u00e9 que cette th\u00e9orie pouvait r\u00e9soudre une \u00e9nigme compl\u00e8tement diff\u00e9rente en astronomie. Les astronomes avaient d\u00e9couvert de myst\u00e9rieuses explosions de rayons gamma \u00e0 haute \u00e9nergie dans l’univers, et les trous primordiaux de Carr et Hawking offraient une brillante explication. Hawking a calcul\u00e9 que les trous noirs s’\u00e9vaporent lentement mais s\u00fbrement avec le temps en \u00e9mettant ce que l’on appelle maintenant le rayonnement de Hawking – un effet in\u00e9vitable de la physique quantique. Cette \u00e9vaporation s’acc\u00e9l\u00e8re \u00e0 mesure que le trou noir s’\u00e9claircit 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 dur\u00e9e de vie d’environ dix \u00e0 vingt milliards d’ann\u00e9es. Vous devriez donc pouvoir le voir exploser maintenant.\n <\/p>\n \n Cependant, les sursauts gamma cosmiques semblaient provenir d’une mani\u00e8re diff\u00e9rente. le trous noirs primordiaux<\/i> par Carr et Hawking ne pourraient jamais \u00eatre assez nombreux pour expliquer la mati\u00e8re noire dans l’univers. L’id\u00e9e enti\u00e8re est progressivement tomb\u00e9e en disgr\u00e2ce, notamment parce que de nombreux contre-arguments sont apparus au fil du temps.\n <\/p>\n \n Vous vous attendriez donc \u00e0 ce qu’il y ait une sorte de distribution naturelle dans les masses de ces anciens trous : un nombre improbable de tr\u00e8s petits, mais aussi d’innombrables sp\u00e9cimens de poids moyen et un grand nombre de gar\u00e7ons tr\u00e8s lourds. Pr\u00e9cis\u00e9ment, ces trous primordiaux les plus grands et les plus lourds devraient trahir leur existence de toutes sortes d’autres mani\u00e8res, et rien ne s’est av\u00e9r\u00e9 \u00eatre le cas.\n <\/p>\n \n De plus, des mesures de pr\u00e9cision du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes – une sorte de “r\u00e9manence” du Big Bang – montrent que les variations de densit\u00e9 dans l’univers nouveau-n\u00e9 \u00e9taient extr\u00eamement faibles\u00a0: 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 \u00e9tendues, mais il semble bien utopique de supposer qu’\u00e0 petite \u00e9chelle ce serait soudainement compl\u00e8tement diff\u00e9rent. Il y a donc toujours eu de nombreux th\u00e9oriciens qui renvoient r\u00e9solument l’id\u00e9e de trous noirs primordiaux au domaine des fables.\n <\/p>\n Trous anciens sous le radar \n Mais le vent tourne, note Carr, qui a maintenant 73 ans. “J’ai plus de 45 ans trous noirs primordiaux<\/i> travaill\u00e9 \u00bb, dit-il, \u00ab et ces derni\u00e8res ann\u00e9es, d’autres chercheurs sont redevenus enthousiastes \u00bb. Comme l’astronome de Yale Priyamvada Natarajan, qui s’y est d\u00e9sormais mis avec Nico Cappelluti de l’universit\u00e9 de Miami et G\u00fcnther Hasinger, directeur scientifique de l’Agence spatiale europ\u00e9enne (ESA).\n <\/p>\n \n Peu de temps apr\u00e8s sa naissance, l’Univers a subi quelques transitions de phase discr\u00e8tes, quelque peu similaires aux transitions de la vapeur d’eau \u00e0 l’eau liquide et de l’eau \u00e0 la glace. Au cours de ces transitions de phase, des trous noirs primordiaux avec des masses assez sp\u00e9cifiques peuvent s’\u00eatre form\u00e9s, explique Natarajan via une connexion Zoom depuis l’Inde, o\u00f9 elle rend visite \u00e0 ses parents. Il n’y a alors pas de distribution de masse naturelle. Par exemple, les anciens trous peuvent \u00eatre rest\u00e9s sous le radar astronomique jusqu’\u00e0 pr\u00e9sent.\n <\/p>\n \n Mais cela risque de ne pas durer longtemps. Selon Cappelluti, Hasinger et Natarajan, l’existence de trous noirs primordiaux pourrait bient\u00f4t \u00eatre d\u00e9montr\u00e9e par le nouveau t\u00e9lescope spatial James Webb, lanc\u00e9 fin d\u00e9cembre, ou par le futur d\u00e9tecteur d’ondes gravitationnelles LISA, lanc\u00e9 par l’ESA au milieu des ann\u00e9es 1930.\n <\/p>\n \n Webb revient sur quelques centaines de millions d’ann\u00e9es seulement apr\u00e8s le Big Bang. Si l’univers nouveau-n\u00e9 \u00e9tait peupl\u00e9 de trous noirs primordiaux, ils auraient exerc\u00e9 une gravit\u00e9 suppl\u00e9mentaire sur leur environnement. Les \u00e9toiles et les galaxies se sont alors form\u00e9es bien plus t\u00f4t que ne le sugg\u00e8rent les th\u00e9ories actuelles, explique Natarajan, et Webb devrait \u00eatre en mesure de le voir. On s’attendrait \u00e9galement \u00e0 ce que les trous noirs entrent en collision plus souvent dans la jeunesse de l’univers – apr\u00e8s tout, c’est ainsi que les premiers supermassifs se sont form\u00e9s au c\u0153ur des galaxies. LISA peut d\u00e9tecter les ondes gravitationnelles de ces premi\u00e8res collisions.\n <\/p>\n \n Des milliards de trous noirs aussi vieux que l’univers lui-m\u00eame, et qui malgr\u00e9 leur nature obscure \u00e9clairent d’un jour nouveau le myst\u00e8re de la mati\u00e8re noire, Bernard Carr a h\u00e2te d’avoir la preuve de leur existence. “Les indices se renforcent”, dit-il, “peut-\u00eatre aurons-nous la r\u00e9ponse dans une d\u00e9cennie.”\n <\/p>\n Dossiers du trou noir \n – Ce premier trou noir <\/b>Celui qui a \u00e9t\u00e9 identifi\u00e9 avec certitude est Cygnus X-1, en 1971. Il est situ\u00e9 dans notre propre galaxie, la Voie lact\u00e9e, \u00e0 7200 ann\u00e9es-lumi\u00e8re dans la constellation du Cygne, et p\u00e8se plus de 21 fois le Soleil. La d\u00e9couverte r\u00e9volutionnaire a \u00e9t\u00e9 faite par Louise Webster et Paul Murdin de l’Observatoire de Greenwich.\n <\/p>\n \n – Ce trou noir le plus lourd<\/b> d\u00e9couvert jusqu’\u00e0 pr\u00e9sent r\u00e9side au c\u0153ur de la galaxie TON 618, \u00e0 quelque 11 milliards d’ann\u00e9es-lumi\u00e8re. On estime qu’il est 66 milliards de fois plus massif que le Soleil. Cependant, la d\u00e9termination 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.\n <\/p>\n \n – Ce trou noir le plus l\u00e9ger<\/b>, appel\u00e9 XTE J1819-254, p\u00e8se six fois plus que le Soleil. Il est situ\u00e9 \u00e0 plus de 20 000 ann\u00e9es-lumi\u00e8re dans la constellation du Sagittaire. Le trou noir aspire le gaz d’une \u00e9toile en orbite autour de lui. Ce gaz est si chaud qu’il \u00e9met des rayons X ; c’est ainsi que le trou noir a \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvert.\n <\/p>\n \n – Ce trou noir le plus proche<\/b> est XTE J1118 + 480, situ\u00e9 \u00e0 environ 5 700 ann\u00e9es-lumi\u00e8re dans la constellation de la Grande Ourse. Il est 6,5 fois plus massif que le soleil. Des objets candidats plus proches (et plus l\u00e9gers), tels que “la Licorne” (1500 ann\u00e9es-lumi\u00e8re, 3 masses solaires), ne sont pas connus avec certitude s’il s’agit vraiment de trous noirs.\n <\/p>\n \n – Le collision la plus lourde de deux trous noirs<\/b> a \u00e9t\u00e9 d\u00e9tect\u00e9 le 21 mai 2019 par les d\u00e9tecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo. Les trous noirs en collision \u00e9taient 66 et 85 fois plus massifs que le Soleil. L’impact s’est produit \u00e0 une distance si grande que les ondes gravitationnelles ont mis 7 milliards d’ann\u00e9es pour arriver sur Terre.\n <\/p>\n<\/p><\/div>\n<\/p><\/div>\n\n
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