La matière noire serait-elle composée de trous noirs primordiaux ? L'hypothèse regagne du terrain chez les scientifiques

Nous avons déjà évoqué l'existence de mesures qui confortent l'idée que l'Univers a pu former des trous noirs avant même l'apparition des premières étoiles. Il s'agit des trous noirs primordiaux, qui se seraient formés durant les toutes premières fractions de seconde suivant le Big Bang.

À cette époque, l'Univers était constitué d'un plasma extrêmement chaud et dense, en expansion rapide. Bien que sa répartition fût globalement homogène, il existait de légères fluctuations de densité, de petits « grumeaux » où la quantité de matière et d'énergie était légèrement supérieure à celle des régions voisines.

La plupart de ces irrégularités se sont dissipées au fur et à mesure de l'expansion de l'Univers. Toutefois, certaines perturbations auraient pu survivre et surmonter la pression du rayonnement. Sous l'effet de leur propre gravité, elles se seraient alors effondrées, formant un horizon des événements sans qu'une étoile soit nécessaire.

Cette hypothèse ouvre un vaste éventail de masses possibles, allant de minuscules trous noirs comparables à une montagne ou à un astéroïde jusqu'à des objets aussi massifs que des étoiles. Leur horizon des événements pourrait être microscopique, tout en concentrant une gravité correspondant à toute cette masse dans un espace extrêmement réduit.

Une origine antérieure aux premières étoiles

Les modèles les plus étudiés relient la naissance de ces objets aux fluctuations de densité générées durant l'inflation cosmique, cette très brève phase d'expansion accélérée qui a précédé l'Univers tel que nous le connaissons. Si certaines de ces perturbations étaient particulièrement importantes à certaines échelles, elles auraient pu s'effondrer gravitationnellement lorsqu'elles sont revenues à l'intérieur de l'horizon cosmologique.

D'autres hypothèses relient leur formation à des transitions de phase, à des défauts topologiques ou encore à des variations de pression dans le plasma primordial. Tous ces mécanismes nécessitent toutefois des conditions très précises, car un trop grand nombre de trous noirs, ou une mauvaise répartition de leurs masses, serait incompatible avec les observations actuelles.

Contrairement aux trous noirs stellaires, les trous noirs primordiaux auraient pu apparaître avant la nucléosynthèse, à une époque où les premiers noyaux atomiques stables n'existaient pas encore. Leur contribution à la masse de l'Univers ne serait donc pas soumise aux mêmes contraintes que celle de la matière ordinaire, constituée de protons et de neutrons.

C'est précisément cette caractéristique qui en fait de bons candidats à la matière noire. Ils n'émettraient aucune lumière, resteraient stables si leur masse est suffisamment élevée et se déplaceraient essentiellement sous l'effet de la gravité, reproduisant ainsi plusieurs des propriétés attribuées à cette composante « invisible » qui entoure les galaxies à grande échelle.

Une hypothèse encore envisageable

Les observations actuelles excluent toutefois l'idée que n'importe quelle population de trous noirs puisse expliquer la totalité de la matière noire. Les objets les plus légers, par exemple, perdraient progressivement de la masse par le biais du rayonnement de Hawking, produisant des particules et des rayons gamma. Or, les quantités attendues n'ont pas été détectées.

Les trous noirs les plus massifs devraient, eux aussi, laisser des signatures observables. Ils produiraient des effets de lentille gravitationnelle, perturberaient les amas d'étoiles, attireraient du gaz et modifieraient le fond diffus cosmologique. À ce jour, aucune de ces signatures n'a été observée.

Si les trous noirs que nous connaissons sont de masse planétaire, stellaire ou supermassive, il pourrait également exister des trous noirs de masse astéroïdale, compris entre 10¹⁷ et 10²² grammes. Dans cette gamme de masses, ils pourraient, en théorie, constituer l'ensemble de la matière noire sans contredire les contraintes imposées par les observations cosmologiques.

Tout dépend toutefois de la répartition de leurs masses. Les modèles supposent souvent que tous ces objets possèdent une masse identique, alors que les mécanismes de formation devraient plutôt produire une population présentant une large diversité de masses. Dans ce cas, certaines contraintes observationnelles actuelles seraient nettement moins strictes.

À la recherche de leurs traces

L'une des principales méthodes de détection repose sur le phénomène de microlentille gravitationnelle. Lorsqu'un objet compact passe devant une étoile, il dévie et amplifie temporairement sa lumière. De petits trous noirs primordiaux pourraient ainsi produire de brefs éclats lumineux caractéristiques.

Pour rechercher des objets de très faible masse, les astronomes proposent d'observer des pulsars émettant des rayons X. Leurs régions émettrices étant très compactes, leurs photons sont moins affectés par les effets de diffraction. Si un trou noir traversait la ligne de visée, il pourrait provoquer une brève augmentation de luminosité. Une telle détection nécessiterait toutefois des caméras très rapides et des observations continues.

Les détecteurs actuels d'ondes gravitationnelles recherchent une autre signature : la fusion d'objets dont la masse est inférieure à celle du Soleil. De tels systèmes sont très difficiles à produire par les mécanismes classiques d'évolution stellaire et, jusqu'à présent, aucune population significative n'a été identifiée.

Les chercheurs poursuivent également leurs investigations en recherchant des rayons gamma issus de leur évaporation, des perturbations des orbites planétaires, des anomalies dans le mouvement des étoiles ou encore des ondes gravitationnelles produites lors de leur formation. À ce jour, aucune de ces méthodes n'a permis de confirmer l'existence des trous noirs primordiaux. Mais en combinant toutes ces approches, les scientifiques espèrent un jour valider cette hypothèse… et peut-être enfin faire la lumière sur l'un des plus grands mystères de l'Univers.