L'explosion d'un trou noir pourrait changer notre compréhension de l'Univers !
Des observations récentes de neutrinos soulèvent l'hypothèse d'un phénomène prédit par Stephen Hawking.
Les trous noirs primordiaux sont des objets hypothétiques proposés par Stephen Hawking, qui se seraient formés dans les premiers instants suivant le Big Bang. Ils seraient nés de fluctuations de densité extrêmes dans l'Univers primordial. Après leur formation, ces trous noirs pourraient avoir des masses allant de celles comparables à celles des atomes à celles des planètes, voire supérieures.
Par ailleurs, Stephen Hawking a également introduit le concept de rayonnement de Hawking, selon lequel les trous noirs peuvent émettre un rayonnement thermique. Pour les trous noirs primordiaux de faible masse, ce processus entraînerait une perte d'énergie progressive, aboutissant à une phase finale extrêmement énergétique. Durant cette phase, un trou noir primordial de faible masse pourrait exploser et libérer des particules énergétiques, telles que des photons de haute énergie, des rayons gamma et des neutrinos.
Récemment, des expériences sur les neutrinos menées avec l'observatoire KM3NeT ont détecté des événements énergétiques que certains physiciens interprètent comme de possibles signatures de l'explosion de trous noirs primordiaux. Si cela se confirme, il s'agirait de la première observation d'un trou noir primordial, ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre sur la physique de l'Univers primordial.
Trous noirs primordiaux
Les trous noirs primordiaux sont des objets théoriques qui se seraient formés aux tout premiers instants de l'Univers, peu après le Big Bang. Ils se seraient formés lorsque de faibles fluctuations de densité auraient été amplifiées jusqu'à provoquer un effondrement gravitationnel. Contrairement aux trous noirs astrophysiques que nous observons aujourd'hui, tels que les trous noirs stellaires et supermassifs, les trous noirs primordiaux peuvent exister en différentes tailles, allant de l'atome à l'étoile.
L'existence de ces trous noirs est liée aux conditions physiques de l'Univers primordial et à d'éventuelles phases d'expansion accélérée ou de transitions de phase dans le plasma primordial. Si elles existent, ces phases d'expansion pourraient influencer la formation des structures cosmiques et affecter la dynamique de l'Univers à grande échelle. Les trous noirs primordiaux sont fréquemment étudiés comme candidats à la matière noire, car ils interagissent principalement par la gravité.
Rayonnement de Hawking
Le rayonnement de Hawking est un effet quantique proposé par Stephen Hawking, selon lequel les trous noirs émettent des particules en raison de fluctuations quantiques à proximité de leur horizon des événements. Ce processus entraîne une perte de masse progressive du trou noir, pratiquement imperceptible pour les trous noirs stellaires ou supermassifs. Cependant, plus la masse du trou noir est faible, plus le taux d'émission de ce rayonnement est élevé et plus son évaporation est rapide.
Dans le cas des trous noirs primordiaux, en particulier ceux de faible masse formés dans l'Univers primordial, le rayonnement de Hawking peut conduire à leur évaporation complète au fil du temps. Aux derniers stades de ce processus, la libération d'une grande quantité d'énergie en un laps de temps très court provoque une explosion. Au cours de cette explosion, des particules de haute énergie, telles que des photons et des neutrinos, sont susceptibles d'être émises.
Un trou noir qui explose
En 2023, le détecteur de neutrinos KM3NeT a enregistré un neutrino dont l'énergie était environ 100 000 fois supérieure à celle de la particule la plus lourde jamais produite au LHC. Cet événement est resté inexpliqué, car aucun phénomène astrophysique connu n'émet de neutrinos d'une telle énergie. Par conséquent, certains physiciens ont envisagé la possibilité que ce signal soit le résultat de l'explosion finale d'un trou noir primordial.
Des chercheurs ont suggéré l'existence de trous noirs primordiaux dotés d'une « charge sombre », associée à des particules au-delà du Modèle Standard. Ces trous noirs présenteraient des taux d'émission et des signatures observationnelles différents, générant potentiellement des événements rares et directionnels qui expliqueraient pourquoi certains observatoires ne les ont pas détectés. Si elle était confirmée, cette hypothèse constituerait la première observation indirecte de l'explosion d'un trou noir primordial.
Réponses concernant la matière noire
Ces modèles, qui mettent en scène des trous noirs primordiaux porteurs d'une « charge sombre », offrent une nouvelle perspective pour expliquer la nature de la matière noire. Une population importante de trous noirs primordiaux, formés dans l'Univers primordial, pourrait constituer cette matière noire. Ceci expliquerait en partie pourquoi nous ne pouvons observer la matière noire que par l'interaction gravitationnelle.
Ainsi, il serait possible d'expliquer la production des neutrinos énergétiques observés et, simultanément, de fournir une explication unifiée de la matière noire. Si de nouvelles preuves confirment cette hypothèse, cela ouvrirait la voie à la vérification observationnelle du rayonnement de Hawking et à la démonstration de l'existence des trous noirs primordiaux.
Référence de l'actualité
Explication des flux de neutrinos PeV à KM3NeT et IceCube par des trous noirs primordiaux quasi-extrémaux, Lettres de revue physique, 2025