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Trous noirs et matière noire : sont-ils une seule et même chose ?

Crédits : Hans/pixabay

Selon une équipe de chercheurs, les trous noirs primordiaux créés dans les premiers instants après le Big Bang pourraient expliquer toute la matière noire de l’Univers. Il s’agissait également de l’une des théories les plus controversées de Stephen Hawking. Le James Webb Telescope pourrait bientôt être en mesure de la tester.

Trous noirs et matière noire

Selon la théorie de la relativité générale, l’espace-temps est courbé par la masse. Et plus un objet est massif, plus l’espace-temps sera courbé. Ainsi, un trou noir a une densité tellement importante qu’il donne lieu à un puits gravitationnel extrêmement profond capable de déchirer cet espace-temps. La courbure engendrée est si forte que rien ne peut en sortir, pas même les photons.

La matière noire est quant à elle une forme de matière encore hypothétique invoquée dans le but de rendre compte de certaines observations astrophysiques, notamment les estimations de la masse des galaxies. Cette matière, qui n’interagit pas avec la matière « normale » et ne peut donc pas être observée directement par des télescopes, agit en quelque sorte comme « l’échafaudage invisible » sur lequel les galaxies se forment et se développent.

Jusqu’à présent, ces deux notions étaient toujours dissociées, mais les trous noirs et la matière noire pourraient-ils n’être qu’une seule et même chose ?

Une théorie controversée, mais séduisante

C’est en effet l’implication d’un nouveau modèle de l’Univers primitif créé par des astrophysiciens de Yale, de l’Université de Miami et de l’Agence spatiale européenne (ESA). Ce modèle fait écho à une théorie proposée pour la première fois dans les années 1970 par les physiciens Stephen Hawking et Bernard Carr.

À l’époque, les deux chercheurs avaient fait valoir que durant la première fraction de seconde après le Big Bang, de minuscules fluctuations de la densité de l’univers pouvaient avoir créé un paysage vallonné avec des régions « bosselées » proposant une masse supplémentaire. Ces zones grumeleuses se seraient alors effondrées en trous noirs. Ils avaient alors proposé que la matière noire puisse être constituée de trous noirs formés dans les premiers instants du Big Bang.

Si la théorie est longtemps restée controversée, une équipe de chercheurs suggère que légèrement modifiée, elle pourrait finalement avoir un réel pouvoir explicatif. Ils postulent ainsi que si la plupart des trous noirs primordiaux étaient nés avec une taille d’environ 1,4 fois la masse du soleil de la Terre, ils pourraient potentiellement représenter toute la matière noire actuellement enregistrée dans l’Univers.

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Crédits : NASA, ESA, M. Postman (STScI), T. Lauer (NOAO) et l’équipe CLASH

Des graines de trous noirs supermassifs

L’existence d’une si grande population de trous noirs primordiaux pourrait également facilement expliquer l’existence des énormes trous noirs supermassifs des centaines de millions de fois plus massifs que le Soleil observés dans l’Univers primitif.

Avant d’avoir un trou noir, vous devez en effet normalement passer par la case « étoile massive ». En fin de vie, ces objets explosent en supernova avant de finir leurs jours en trou noir. On observe pourtant la présence de plusieurs de ces ogres cosmiques quelques centaines de millions d’années seulement après la création de l’Univers. Or, les astronomes estiment que les « graines » laissées par les premières étoiles ne sont pas assez grandes pour donner naissance à de tels objets. La question est donc de savoir comment ils sont apparus.

Ce que nous dit cette nouvelle théorie, c’est que les trous noirs primordiaux, s’ils existent, pourraient bien être les graines à partir desquelles tous ces fameux trous noirs supermassifs se sont formés en premier lieu. « Ce que je trouve personnellement super excitant à propos de cette idée, c’est la façon dont elle unifie avec élégance deux problèmes vraiment difficiles sur lesquels je travaille : celui de sonder la nature de la matière noire et la formation et la croissance des trous noirs supermassifs« , souligne  Priyamvada Natarajan, de l’Université de Yale.

Enfin, la présence de trous noirs primordiaux pourrait également résoudre une autre énigme cosmologique : l’excès de rayonnement infrarouge synchronisé avec le rayonnement X détecté à partir de sources lointaines et sombres dispersées dans l’univers. D’après l’étude, ces possibles trous noirs primordiaux croissants présenteraient exactement la même signature de rayonnement.

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Crédits : EHT Collaboration

Bientôt des réponses ?

Proposer une idée intéressante est essentiel, mais pouvoir la tester, c’est encore mieux. Ce sera possiblement le cas ici. En effet, l’existence de ces trous noirs primordiaux pourrait être prouvée ou réfutée dans un avenir proche grâce au James Webb Telescope, chargé de sonder la présence de galaxies développées dans l’Univers primitif. Si la matière noire est composée de trous noirs primordiaux, davantage d’étoiles et de galaxies se seraient alors formées autour à cette époque. La mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) de l’ESA, annoncée pour les années 2030, sera également capable de capter les signaux d’ondes gravitationnelles des premières fusions de trous noirs primordiaux, si tant est qu’il y en ait.