Non-particle dark matter
Cet article propose un aperçu pédagogique des trous noirs primordiaux en tant que candidat de matière noire non particulaire, couvrant leurs propriétés, leurs mécanismes de formation via les perturbations de densité inflationnaires, les sondes observationnelles et les questions ouvertes actuelles dans le domaine.
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L'univers est rempli d'une substance mystérieuse qui maintient les galaxies ensemble, pourtant elle n'émet pas de lumière, ne la réfléchit pas et n'interagit pas avec la matière ordinaire qui compose les étoiles, les planètes et les êtres humains. Les astronomes appellent ce matériau invisible la matière noire, et elle représente environ quatre-vingt-cinq pour cent de toute la matière en existence. Pendant des décennies, la théorie dominante a été que cette substance est composée de nouvelles particules élémentaires non découvertes, peut-être lourdes et léthargiques, ou peut-être légères et fantomatiques. Cependant, une autre possibilité a suscité un regain d'intérêt : la matière noire pourrait ne pas être faite de particules du tout. Au lieu de cela, elle pourrait être composée de trous noirs primordiaux. Il ne s'agit pas des trous noirs formés par la mort d'étoiles massives, qui sont communs dans le cosmos aujourd'hui. Les trous noirs primordiaux sont des vestiges anciens, nés dans la première fraction de seconde après le Big Bang, lorsque l'univers était une soupe d'énergie chaude et dense. S'ils existent en nombre suffisant, ces minuscules pièges gravitationnels invisibles pourraient être la masse manquante qui façonne le cosmos.
Une nouvelle revue de la physicienne Anne Green offre une carte claire de ce domaine, explorant comment ces anciens trous noirs pourraient se former, comment ils pourraient se comporter et comment les astronomes les traquent. L'histoire commence dans l'univers très jeune. Pendant une période d'expansion rapide connue sous le nom d'inflation, le tissu de l'espace s'est étiré, lissant la plupart des irrégularités. Cependant, la mécanique quantique dicte qu'une lisseur parfaite est impossible ; de minuscules fluctuations de la densité d'énergie étaient inévitables. Dans la plupart des régions, ces fluctuations étaient trop faibles pour faire quoi que ce soit d'intéressant. Mais dans des endroits rares et spécifiques, la densité de la matière et de l'énergie aurait pu être suffisamment élevée pour que la gravité l'emporte sur la pression extérieure de l'univers en expansion. Quand cela arrive, une région s'effondre sur elle-même, formant un trou noir. Parce que cela s'est produit avant même l'existence des étoiles, on les appelle des trous noirs primordiaux.
La taille d'un tel trou noir dépend entièrement du moment où il s'est formé. Plus l'effondrement est précoce, plus la région de l'espace impliquée est petite, et plus le trou noir résultant est léger. Un trou noir se formant une fraction de seconde après le Big Bang pourrait avoir la masse d'un gros astéroïde, tandis qu'un autre se formant légèrement plus tard pourrait peser autant que notre Soleil ou même plusieurs fois celui-ci. Le document explique que pour que ces objets constituent toute la matière noire, l'univers primordial aurait dû connaître une poussée d'extrêmes fluctuations de densité à petite échelle, bien plus grandes que les ondulations douces que nous voyons aujourd'hui dans le fond diffus cosmique. Cela nécessite des conditions spécifiques dans la physique de l'univers primordial, telles qu'une pause temporaire dans le taux d'expansion ou un changement dans le comportement des champs pilotant l'inflation. Bien que les modèles standards de l'univers primordial ne produisent pas naturellement assez de ces fluctuations lourdes, l'auteur note que certains modèles modifiés peuvent créer les conditions nécessaires, bien qu'ils nécessitent souvent un ajustement minutieux de la physique sous-jacente.
Une fois formés, ces trous noirs auraient survécu jusqu'à nos jours, à condition qu'ils soient suffisamment massifs. Le document souligne un seuil critique : les trous noirs plus légers qu'environ 10^15 grammes se seraient évaporés depuis longtemps en raison d'un processus quantique connu sous le nom de rayonnement de Hawking, qui fait que les trous noirs perdent lentement leur masse et finissent par disparaître. Tout trou noir primordial plus lourd que cette limite serait encore présent, dérivant à travers la galaxie comme un passager silencieux et invisible. S'ils sont la matière noire, ils doivent être répartis dans tout l'univers, maintenant les galaxies ensemble grâce à leur gravité.
Le véritable défi réside dans leur découverte. Puisqu'ils ne brillent pas, les astronomes ne peuvent pas simplement pointer un télescope et les repérer. Au lieu de cela, ils doivent chercher les effets que ces objets ont sur la lumière et le mouvement d'autres choses. Pour les trous noirs primordiaux très légers, la recherche se concentre sur le rayonnement qu'ils émettraient juste avant de s'évaporer. Si un essaim de ces minuscules trous noirs existait, ils projetteraient des particules de haute énergie et des rayons gamma aujourd'hui. Les observations du ciel n'ont pas trouvé ce rayonnement excédentaire, ce qui exclut de fait l'idée que les trous noirs primordiaux les plus légers constituent la matière noire.
Pour les trous noirs plus lourds, la principale méthode de détection est le microlentille stellaire. Ce phénomène se produit lorsqu'un objet compact, comme un trou noir, passe directement entre la Terre et une étoile lointaine. La gravité du trou noir agit comme une lentille, déviant la lumière de l'étoile et provoquant un éclaircissement temporaire. En surveillant des millions d'étoiles dans les galaxies voisines, les astronomes ont cherché ces brefs éclats de lumière. Des relevés approfondis ont montré que, bien que certains événements de microlentille se produisent, ils ne sont pas assez fréquents pour être causés par un univers rempli de trous noirs ayant la masse de notre Soleil ou plus. Ces observations ont imposé des limites strictes sur l'abondance des trous noirs primordiaux de masse solaire ou supérieure, suggérant qu'ils ne peuvent pas rendre compte de la totalité de la matière noire.
Malgré ces contraintes, un écart important subsiste dans nos connaissances. Le document souligne qu'il existe une « fenêtre » de masse, située approximativement entre le poids d'un gros astéroïde et celui d'une petite lune, où les observations actuelles ne peuvent pas encore exclure la présence de trous noirs primordiaux. Dans cette gamme, les objets sont trop lourds pour s'être évaporés de manière significative, mais trop légers pour provoquer les effets de microlentille marqués qui ont été exclus pour les objets plus lourds. Cette fenêtre de masse d'astéroïde est le dernier endroit restant où les trous noirs primordiaux pourraient potentiellement constituer l'intégralité de la matière noire.
L'auteur conclut que bien que nous ayons écarté de nombreuses possibilités, la question est loin d'être tranchée. La recherche des trous noirs primordiaux est un test de notre compréhension de l'univers primordial autant qu'une chasse à la matière noire. Si ces objets sont trouvés, cela impliquera que l'univers primordial était bien plus turbulent et violent que ce que suggèrent les modèles standards. S'ils ne sont pas trouvés, cela nous rapproche de la conclusion que la matière noire doit être tout autre chose. La voie à suivre consiste à développer de nouvelles techniques pour sonder cette fenêtre de masse d'astéroïde, en utilisant tout, de la chronométrie des pulsars aux oscillations subtiles des orbites planétaires. D'ici là, la nature de la matière noire qui remplit notre univers demeure l'un des plus profonds mystères de la science, les trous noirs primordiaux se présentant comme un candidat fascinant, bien qu'encore non prouvé.
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