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Les trous noirs de Ligo pourraient être une partie de la matière noire

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Laurent Sacco, Futura-Sciences

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Des trous noirs primordiaux auraient peut-être été créés juste après le Big Bang. L'hypothèse aurait de quoi expliquer une partie de la masse manquante de l'univers, attribuée à la mystérieuse matière noire. Mais cinquante ans après cette idée, personne ne les a vus. Selon certains chercheurs, ce sont eux que Ligo aurait détectés grâce aux ondes gravitationnelles. Une révolution en cosmologie ?

Ondes gravitationnelles : leur détection expliquée en une minute  Ça y est, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Ces fluctuations de l’espace-temps proviennent de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Découvrez dans cette vidéo comment les scientifiques de Ligo ont pu effectuer ces premières mesures. 

Le trou noir le plus courant résulte de l'effondrement gravitationnel d'une étoile, avec une masse comprise entre celle de Chandrasekhar et une centaine de fois celle du Soleil. Au cœur des grandes galaxies en existent des versions bien plus grandes, appelées trous noirs supermassifs et contenant quelques millions ou quelques milliards de masses solaires. Mais leur origine est encore inconnue.

Toutefois, de la fin des années 1960 au début des années 1970, les deux grands leaders de l'astrophysique et de la cosmologie relativiste russe, Yakov Zel'dovich et Igor Novikov, ainsi que Stephen Hawking, ont commencé à étudier une possibilité fascinante. Des trous noirs de masses très variées auraient pu se former au tout début de l'histoire de l'univers observable.

Dans le cadre des modèles cosmologiques de type Big Bang, la densité « initiale » du cosmos est en effet très grande. D'après les équations tentant de décrire l'état de la matière et du champ de gravitation proche de la singularité cosmologique initiale en relativité générale classique, l'Univers était alors très turbulent, avec des fluctuations chaotiques de sa métrique et de sa densité. C'est ce que montrent les travaux de Misner (c'est le modèle dit de mixmaster univers), ainsi que de Belinsky, Khalatnikov et Lifchitz.

Quelques physiciens célèbres de l'école russe. En haut et de gauche à droite : Gershtein, Pitaevskil, Arkhipov, Dzyaloshinskil. En bas et de gauche à droite : Prozorova, Aleksei Abrikosov, Khalatnikov, Lev Davidovich Landau, Evgenii Mikhailovich Lifchitz. © AIP

Des trous noirs primordiaux de 10 à 100 masses solaires

Dans ces conditions infernales, si une fluctuation de densité devient telle qu'une masse donnée passait par compression sous son rayon de Schwarzschild, il en résultait un minitrou noir ayant le même rayon. On peut ainsi prévoir l'apparition des minitrous noirs de masse aussi faible que la masse de Planck (Mp=10-5 g) mais aussi d'astres beaucoup plus massifs contenant par exemple 105 masses solaires.

Le spectre de ces masses, et donc les abondances de trous noirs primordiaux reliques dans l'univers, dépendent des conditions de la naissance du cosmos observable. Ce spectre reste inconnu mais des contraintes peuvent être posées, par exemple en étudiant les fluctuations du rayonnement fossile, les grandes structures formées par les amas de galaxies... et la matière noire. En effet, ces trous noirs primordiaux sont des candidats naturels pour expliquer l'existence d'au moins une partie de celle-ci puisqu'ils ne rayonnent pas.

Enfin presque, puisque si l'on en croit les travaux de Stephen Hawking, les lois de la mécanique quantique les font se comporter comme des objets chauds dont la température est inversement proportionnelle à leur masse. Un trou noir de masse stellaire est en fait particulièrement froid puisque sa température devrait être d'environ un millionième de kelvin. Des minitrous noirs de la masse d'une montagne devraient être beaucoup plus chauds et devraient de nos jours s'évaporer en perdant leur masse sous forme de rayonnement si rapidement qu'ils apparaîtraient comme de brusques explosions. D'autres minitrous noirs moins chauds devraient aussi se manifester par des effets de lentilles gravitationnelles conséquents.

Les différents phénomènes associés à l'existence de minitrous noirs ont fortement contraint l'hypothèse selon laquelle la matière noire pourrait s'expliquer en invoquant ces objets. En fait, actuellement, il semble que l'hypothèse reste viable si leurs masses sont comprises pour l'essentiel, entre dix et cent masses solaires environ.

On pourrait penser que cette contrainte est tellement forte qu'elle rend l'hypothèse très improbable. Mais il en est peut-être tout autrement d'après un article déposé sur arXiv par une équipe d'astrophysiciens dont le prix Nobel de physique Adam Riess.

Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. © De Boeck

Pas de matière noire au LHC ?

Les chercheurs ont visiblement été inspirés par l'annonce de la premère détection directe d'une onde gravitationnelle. La découverte de GW 150914 a beaucoup surpris car tout semble indiquer qu'elle provient de la fusion de deux trous noirs dont chacun présente une masse d'environ 30 fois celle du Soleil. Or, on s'attendait à des valeurs moitié moindres, en se fondant, notamment, sur les rares trous noirs stellaires connus. On estime actuellement qu'il doit se produire entre 2 et 53 événements similaires par an dans un volume de 1 Gpc3 (1 Gpc = 3,26 milliards d'années-lumière).

Ligo aurait-il fait d'une pierre deux coups en ouvrant l'ère de l'astronomie gravitationnelle et en déterminant la nature de la matière noire ? Selon Riess et ses collègues, c'est bien possible. Déjà, la bande de masses autorisées contient bien les masses déduites du signal de GW 150914. Enfin, modulo des incertitudes sur les taux de formation de trous noirs binaires et leur fusion finale dans les halos galactiques, la fréquence de ces événements, si la matière noire est bien faite de trous noirs primordiaux, semble compatible avec celle déduite de la découverte de Ligo. Si tel est bien le cas, c'est une révolution en cosmologie, mais elle ne sera peut-être pas du goût des chercheurs pour qui la matière noire est composée de particules que pourrait générér un accélérateur, en particulier le LHC.

Futura-Sciences a demandé à Richard Taillet, l'un des spécialistes français de la matière noire, ce qu'il pensait de l'hypothèse de ses collègues. Il y voit une illustration de plus que la découverte de Ligo ouvre une nouvelle fenêtre en astronomie et, surtout, que « si la matière noire est effectivement constituée de trous noirs primordiaux de cette masse, ça serait un énorme coup de pied dans la fourmilière ! ». Le chercheur estime qu'il y aura « sûrement des débats sur les hypothèses faites pour quantifier la probabilité de la fusion des trous noirs, etc., mais peu importe ! Il va falloir garder un œil sur le taux de coalescence qui va être observé par Ligo et Virgo. Ce qui me semble vraiment important est que l'on va passer du stade de la découverte à celui de l'utilisation des interféromètres comme instruments de mesure ». En tout état de cause, l'hypothèse d'Adam Reiss et ses collègues plaît à Richard Taillet.

Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a détecté l'onde gravitationnelle produite par la collision puis la fusion de deux trous noirs d'environ 30 masses solaires chacun. Mais à quoi aurait ressemblé visuellement l'évènement pour des observateur installés à quelques milliers de kilomètres ? Des simulations numériques permettent de le découvrir. Cette image, qui illustre des effets de lentille gravitationnelle, est extraite de l'une d'elles. © SXS (Simulating eXtreme Spacetimes project)
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