Un montage illustrant l'effet de microlentille gravitationnelle produit par un trou noir primordial sur une étoile de la galaxie d'Andromède. © Kavli IPMU
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La matière noire est-elle formée de trous noirs et de bébés univers ?

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[EN VIDÉO] Qu’est-ce que la matière noire ?  La matière noire est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique. Si les particules qui la constituent existent bien, elles devraient nous permettre de comprendre l'origine des galaxies. Mais leur nature reste un mystère. Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous explique cette question très ouverte. 

Presque un siècle après leur prédiction, les ondes gravitationnelles ont été détectées. D'autres sur la théorie de la relativité générale attendent encore d'être vérifiées. Il en est une qui concerne ce que l'on appelle les trous noirs primordiaux. Ils pourraient constituer une part significative de la matière noire et peut-être bien plus que cela, selon certains astrophysiciens.

Il y a 5 ans, était célébré le centenaire de la découverte des équations finales de la théorie de la relativité générale et l'on découvrait directement sur Terre pour la première fois les ondes gravitationnelles prédites par cette théorie. Leur étude -- ainsi que l'obtention de la première image de l'ombre de l'horizon de ce qui semble bel et bien être un trou noir supermassif décrit par les équations d'Einstein, M87* -- a renforcé la conviction que des trous noirs se formaient bien dans le cosmos observable.

Les héritiers d'Einstein qui ont exploré la physique de ces objets ont donc fort justement reçu le prix Nobel de physique, d'abord Kip Thorne, ensuite Roger Penrose. Stephen Hawking aurait sans aucun doute mérité d'en faire partie mais il s'est éteint trop tôt, tout comme Robert Brout, l'un des théoriciens découvreurs du boson de Brout-Englert-Higgs. Il serait logique, dans les années à venir, qu'Alain Brillet et Thibault Damour deviennent eux aussi lauréats du prix Nobel.

Mais, en attendant, bien d'autres conséquences possibles de la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein attendent leurs confirmations... ou leurs réfutations car il existe, par exemple, d'autres théories possibles gouvernant la physique d'un espace-temps courbe. On s'interroge ainsi depuis des décennies sur l'existence de trous noirs dits primordiaux laissés par la phase Big Bang de l'Univers.

Mais de quoi s'agit-il exactement ?

Une présentation du télescope japonais Subaru avec son miroir de 8,2 m de diamètre. Il est situé au somment du Mauna Kea sur l'île d'Hawaï. © National Astronomical Observatory of Japan

Des trous noirs primordiaux microscopiques et macroscopiques

Dans le cadre des modèles cosmologiques relativistes hérités notamment des travaux de Georges Lemaître, la densité « initiale » de l'Univers observable devait être très grande. Si l'on en croit 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 la métrique décrivant l'état du « tissu » de l'espace-temps d'une part, et donc aussi de sa densité de matière et de rayonnement d'autre part, comme l'ont montré les travaux de Charles Misner (modèle connu sous le nom de Mixmaster univers) ainsi que ceux de Belinsky, Khalatnikov et Lifchitz.

Dans ces conditions infernales, si une fluctuation de densité devient telle qu'une masse donnée passe sous son rayon de Schwarzschild (le rayon d'une sphère de masse donnée en dessous duquel même la lumière ne peut s'échapper du volume délimité par cette sphère), un trou noir devait en résulter.

On ne sait pas très bien combien auraient pu se former ni de quelles masses, mais un large spectre est possible, dépendant des modèles et de la physique utilisée pour décrire cette phase très primitive du cosmos observable (inflation, cosmologie quantique à boucles etc.). Ils pourraient théoriquement avoir des masses aussi faibles que la masse de Planck (Mp=10-5 g), mais également bien au-delà, par exemple 105 masses solaires, et qui pourraient servir de germes pour la formation des trous noirs supermassifs.

Le cas des minitrous noirs est particulièrement intéressant. Ils auraient des masses bien inférieures à celle d'une étoile comme le Soleil et même que celle de la Lune. Ces minitrous noirs, mais aussi les autres trous noirs primordiaux, sont des objets théoriques dont Stephen Hawking s'est particulièrement occupé à partir de 1971 en se basant sur les travaux publiés en 1967 par Yakov Zeldovich et Igor Novikov, deux grands leaders de l'astrophysique et de la cosmologie relativiste russes.

Les plus légers de ces minitrous noirs seraient observables aujourd'hui en train de s'évaporer quantiquement par effet Hawking. On n'observe pas encore ce phénomène, ce qui veut dire soit que la radiation Hawking n'existe pas, ce qui semble très peu probable, soit que le cosmos primitif était en fait faiblement turbulent et qu'il a formé peu de minitrous noirs.

Toutefois, lorsque l'existence de la matière noire a commencé à être sérieusement considérée, en partie à la suite des travaux du prix Nobel de Physique James Peebles, elle a été tout naturellement expliquée en faisant intervenir ces trous noirs primordiaux. Toute la matière noire, ou seulement une portion, pouvait en être constituée.

Alors que le télescope Subaru sur Terre observe la galaxie d'Andromède, une étoile de cette galaxie peut devenir nettement plus lumineuse si un trou noir primordial passe devant l'étoile par effet de lentille gravitationnelle. À mesure que le trou noir primordial continue à se « désaligner », l'étoile deviendra également plus sombre et reviendra à sa luminosité d'origine. © Kavli IPMU

Mais comment tester cette théorie ?

Comme on l'a déjà dit précédemment, on pouvait déjà tenter de détecter des minitrous noirs rendus particulièrement chauds et brillants, en train de s'évaporer par rayonnement Hawking, surtout dans la phase finale menant à leur disparition complète avec une bouffée de rayons gamma. Mais on pouvait aussi tenter de mettre en évidence plus généralement des trous noirs primordiaux par des effets de lentille gravitationnelle d'autant plus importants que la masse de l'objet compact s'interposant entre une étoile et un télescope sur Terre est élevée, et conduit à une augmentation transitoire de la brillance de l'étoile qui l'est tout autant.

Au cours des dernières décennies, ces types de campagnes d'observations ont permis de poser des contraintes de plus en plus fortes sur les populations de trous noirs primordiaux et leurs masses. D'autres observations, par exemple en analysant le fond de rayonnement cosmologique diffus (Cosmic Microwave Background), le CMB, ont encore restreint les paramètres d'un espace de configuration représentant les populations de minitrous noirs selon une distribution de masses et en comparaison avec la portion de matière noire qu'ils pourraient constituer.

Le moins que l'on puisse dire, c'est que l'hypothèse que ces objets compacts constituent effectivement une part importante de la matière noire est devenue de plus en plus difficile à soutenir et l'on pourrait même dire qu'il est très probable que ce ne soit pas le cas. On peut s'en convaincre avec les schémas ci-dessous qui montrent qu'une étroite fenêtre dans le spectre de masse, entre 10-15 et 10-10 fois la masse du Soleil, reste autorisée. Mais on a vraiment des difficultés à produire un spectre de masses issues du Big Bang qui ne soit pas « étalé ».

L'espace des contraintes relatives à la fraction de masse des trous noirs primordiaux contribuant peut-être à la matière noire de la Voie lactée et de la galaxie Andromède (M31) il y a quelques années. Les régions ombrées indiquent les régions exclues où l'existence de tels trous noirs primordiaux ne correspond pas aux données d'observation. La couleur rouge indique la zone exclue avec le télescope Subaru. En haut, la masse des trous noirs (black holes) primordiaux MPBH en fraction de masse solaire, en bas, en gramme, et à gauche, la fraction de ces trous noirs composant possiblement la matière noire. © Niikura el al., Kavli IPMU

Toutefois, les perspectives sur tous ces sujets viennent d'être renouvelées avec un article publié dans Physical Review Letters et disponible en accès libre sur arXiv. Il provient d'une équipe essentiellement japonaise d'astrophysiciens du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe et elle s'appuie sur les observations déjà faites ou possibles dans un avenir proche avec l'instrument Hyper Suprime-Cam (HSC) équipant le télescope Subaru.

Les chercheurs utilisent aussi un scénario inflationnaire dans lequel non pas un mais deux champs scalaires analogues à celui du boson de Brout-Englert-Higgs ont été responsables d'une phase d'expansion très courte mais incroyablement rapide de l'espace-temps, sans doute lorsque le cosmos observable n'était âgé que d'environ 10-35 s, alors que le vide quantique possédait une densité d'énergie V très importante.

Dans le cadre des modèles unifiés des interactions en théorie quantique des champs, on est conduit à introduire plusieurs champs de Brout-Englert-Higgs pour donner une masse aux bosons des théories de jauge. Souvent, ces champs se comportent de la façon qui est décrite sur ce schéma. À très haute température, l'intensité d'un champ de Higgs dans le vide, notée Φ, est nulle ; mais il existe une densité d'énergie dans le vide V(Φ) qui, à ce moment-là, n’est pas nulle. Lorsque la température décroît dans l'univers primitif, le champ Φ se met à croître. Passé une certaine valeur, cette densité s'annule. Le phénomène s'accompagne de la formation de bulles de vrai vide (bubble nucleation), lequel peut être rempli d'autres particules comme des photons ou des quarks et des leptons. Des variantes de ces champs sont utilisées en cosmologie inflationnaire. © DAMTP

Des bulles dans le vide quantique

À ce moment-là, l'intensité des champs scalaires est en train de changer de valeur. Elle était nulle à des périodes encore plus anciennes de l'Univers et elle se met alors à croître rapidement. Si l'on peut considérer ces champs encore aujourd'hui autour de nous comme une sorte de fluide, alors ces champs primitifs de valeur nulle sont l'équivalent d'un gaz dans lequel apparaissent des bulles de liquide. L'un des champs est celui qui est le plus responsable d'une expansion ultrarapide du cosmos et, lorsqu'elle s'est fortement ralentie, celle-ci a laissé plusieurs bulles dont l'une contenant notre Univers actuel. Au delà de ce qui est observable pour nous, s'étendraient alors d'autres bulles avec peut-être des particules et des forces différentes, réalisant une forme possible de multivers.

Mais la nouveauté, c'est qu'au moins dans la bulle que nous occupons, de plus petites bulles contenant une densité d'énergie importante produite par le second champ scalaire se seraient en fait effondrées en donnant des minitrous noirs. Remarquablement, en s'effondrant, certaines d'entre elles auraient pu rebondir et entrer à nouveau en expansion, comme le ferait une petite bulle bourgeonnant à partir d'un ballon en expansion. Mais, du point de vue des observateurs extérieurs, c'est-à-dire nous, ces bébés univers en expansion nous apparaitraient encore comme des trous noirs.

Il est difficile de dire si ces bébés univers vont vraiment atteindre des dimensions macroscopiques mais ce n'est pas exclu. Ils pourraient être reliés par une sorte de trou de ver au nôtre mais pourraient aussi s'en séparer lorsque le tube d'espace-temps le reliant à son univers parent se pincerait au point qu'une déconnexion se produise. Ces idées ne sont pas complètement nouvelles, Stephen Hawking les avait explorées avec d'autres dans les années 1980 dans le cadre de ce que l'on appelait bien évidemment la théorie des « Baby Universes ».

Une vue d'artiste de possibles bébés univers naissant du vide quantique dans notre Univers observable dans lequel ils apparaitraient sous forme de minitrous noirs. © Kavli IPMU

Selon les chercheurs japonais, la théorie considérée permet justement de produire des minitrous noirs en quantités importantes dans la région encore autorisée, notamment par des observations passées avec le télescope Subaru qui avaient rendu encore plus improbable de pouvoir résoudre l'énigme de la matière noire avec des trous noirs primordiaux. Ces trous noirs auraient donc des masses inférieures à celles de la Lune mais supérieures à celles des montagnes sur Terre.

En bonus, le nouveau spectre de masse de trous noirs primordiaux permettrait de générer assez de germes sous forme de trous noirs de masses intermédiaires qui vont grandir pour expliquer l'existence des trous noirs supermassifs ainsi que les trous noirs binaires anormalement massifs détectés par Ligo.

On devrait en savoir plus dans les années à venir car le télescope LSST est un instrument de choix pour tenter de détecter des effets de microlentilles gravitationnelles comme dans le cas de Subaru qui continue à les chasser. Mais on ne pourra rien dire en ce qui concerne l'existence d'un multivers.

Pour en savoir plus

Les trous noirs sont-ils à l'origine de nouveaux Univers ?

Les équations de la gravitation quantique à boucles appliquées à la naissance de l'Univers semblent prédire un pré-Big Bang et une absence de singularité initiale. Appliqués à l'intérieur d'un trou noir, de nouveaux calculs conduisent à une conclusion similaire : les trous noirs seraient à l'origine d'autres Univers connectés au nôtre.

La physique et la cosmologie du XXe siècle ont été dominées par deux théories cadres importantes : la théorie de la relativité générale d'Einstein et la mécanique quantique. Malheureusement, ces deux théories décrivant l'une l'infiniment grand et l'autre l'infiniment petit entrent en contradiction lorsqu'on cherche à les appliquer simultanément dans deux situations où elles doivent intervenir : l'intérieur d'un trou noir et le début de l'Univers. Dans les deux cas on considère des régions de l'espace plus petites qu'une particule élémentaire et avec une courbure de l'espace-temps colossale.

Une idée proposée dès la fin des années 1950 suppose que, de la même manière que la mécanique quantique arrête l'effondrement d'un électron sur le noyau d'un atome et produit des niveaux d'énergies discrets, un traitement quantique de la géométrie de l'espace-temps éviterait l'effondrement de la matière à l'intérieur d'un trou noir et effacerait la singularité prédite par les équations de la relativité générale classique. Comme l'expansion de l'Univers dans le cadre de la théorie du Big Bang ressemble beaucoup à l'effondrement d'une étoile mais avec le sens du temps inversé, on s'attend à ce que là aussi la singularité de l’espace-temps, caractérisée par une valeur infinie de la courbure de celui-ci et une densité infinie de matière, disparaisse.

Récemment, en utilisant une des théories possibles pour unifier les lois de la gravitation d'Einstein et la mécanique quantique, la gravitation quantique à boucles ou Loop Quantum Gravity (LQG), Martin Bojowald avait prolongé un peu plus loin les travaux de ses collègues appliquant la LQG au problème du Big Bang.

Ses travaux de cosmologie quantique montraient en effet qu'une forme simplifiée et résolvable des équations de la LQG éliminait effectivement la singularité initiale du Big Bang. On pouvait même parler d'un « avant le Big Bang » constitué d'un cycle sans fin d'expansions et de contractions.

Comme d'autres, Christian Böhmer et Kevin Vandersloot ont alors entrepris d'utiliser l'analogie, géométrie de l'espace-temps interne d'un trou noir et géométrie d'un Univers en expansion, pour appliquer les nouvelles techniques de la LQG afin de tenter de mieux comprendre ce qu'il advient de la matière et de l'espace-temps à l'intérieur d'un trou noir.

Un espace-temps qui ne serait pas continu

Là encore, l'idée principale utilisée est celle d'une modification de la géométrie de l'espace-temps qui de continue devient discrète. Comme Lee Smolin et Carlo Rovelli l'ont montré en 1995, il apparaît en LQG tout comme en mécanique quantique des opérateurs pour les variables physiques. Comme l'on traite de géométrie quantique on a aussitôt affaire à des opérateurs de surface et de volume limitant les valeurs que peuvent prendre ces quantités quand on les applique à un modèle cosmologique ou un trou noir. 

Crédit : Universe review

Sur le schéma ci-dessus, on a représenté le spectre de ces opérateurs et on l'a comparé à celui d'un atome d'hydrogène. Le terme spectre rappelle que les valeurs discrètes de l'énergie d'un électron dans un atome sont responsables du spectre lumineux en forme de raies que celui-ci absorbe ou émet. Par analogie, en mécanique quantique, on parle de spectre pour l'ensemble des valeurs que peut prendre une grandeur physique. Sur ce schéma on remarque que le spectre  tend vers une distribution continue lorsque l'on considère de grandes valeurs de l'énergie ou du volume (Principe de correspondance de Bohr). Ainsi, au fur et à mesure que l'on se rapproche du monde macroscopique, la granularité quantique s'estompe et une description continue, approximative, devient de plus en plus précise.

Deux évolutions possibles pour la géométrie et la matière dans un trou noir ?

En transposant les approximations et les calculs numériques de Martin Bojowald, les deux chercheurs ont alors trouvé que la géométrie interne d'un trou noir pouvait être modifiée de deux façons, également surprenantes.

Dans le premier cas, une sorte de trou de vers se forme connectant l'intérieur du trou noir avec un autre noir. Une solution analogue était déjà connue en relativité générale classique, elle peut même s'interpréter comme un pont entre deux Univers. Mais ici, la singularité séparant les deux trous noirs a été éliminée, sans même faire intervenir de l'énergie exotique comme dans le cas de la solution trou de ver traversable découverte par Kip Thorne vers le milieu des années 1980. La nature quantique de l'espace-temps introduit automatiquement une force répulsive lissant la singularité classique qui disparaît.

Dans le deuxième cas, peut-être le plus fascinant, la métrique interne se change en celle d'un véritable Univers avec un volume pouvant être infini, quand bien même cela se traduit par un volume extérieur fini pour l'observateur extérieur au trou noir. La solution trouvée décrivant cet Univers ressemble beaucoup à ce qu'on appelle une solution  de Nariai, avec une constante cosmologique et une charge électrique globale pour ce modèle cosmologique découvert il y a longtemps en relativité générale classique.

La théorie du pré-Big Bang (PBB) de Veneziano-Gasperini-Damour propose que notre Univers provienne d'une précédente phase de contraction d'une portion d'un autre Univers. Dans la théorie standard à gauche le temps a un commencement. Dans la théorie PBB le temps n'a ni début ni fin. Crédit : Universe review

Ces résultats sont des avancées significatives, mais il ne s'agit encore que d'approximations de calculs de gravitation quantique. On peut penser qu'ils représentent un comportement générique et que les conclusions qu'on en tire ne seront pas notablement changées le jour où des calculs complets pourront être vraiment menés. Toutefois, il est intéressant de voir que la LQG retrouve des résultats similaires à ceux obtenus par Gabriele Veneziano, Maurizio Gasperini et Thibault Damour dans le cadre des approches de pré-Big-Bang avec les supercordes. Là aussi, l'intérieur d'un trou noir pourrait donner naissance à un autre Univers. 

Dans la théorie PBB, notre Univers s'est créé dans un certain type de trou noir dans un Multivers éternel et incréé. L'effondrement, une fois atteintes une densité limite pour la matière et une courbure limite pour l'espace-temps se change en expansion. Crédit : Universe review

Dans les deux cas, quand un état limite de haute densité de matière et de courbure de l'espace-temps est atteint, l'effondrement est stoppé par l'apparition d'une force répulsive et un autre Univers en expansion se crée à partir du nôtre par bourgeonnement, un peu comme une petite bulle qui gonflerait à la surface d'un ballon pour finir par créer deux Univers distincts, connectés par un petit raccord.

Comme l'a proposé Lee Smolin au cours des années 1990, les deux théories principales et concurrentes pour la gravitation quantique, la LQG et la théorie des supercordes, pourraient bien être complémentaires.

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