Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

Dans les premiers instants de notre univers, une fraction de seconde après le commencement, l'espace lui-même a connu une période d'expansion inimaginable connue sous le nom d'inflation cosmique. Cet étirement rapide a lissé le cosmos et a planté les graines de tout ce que nous voyons aujourd'hui, des galaxies aux étoiles. Cependant, la théorie de l'inflation suggère également que, dans des conditions spécifiques et rares, l'univers aurait pu produire de minuscules amas de matière denses qui se seraient effondrés immédiatement en trous noirs. On les appelle des trous noirs primordiaux. Contrairement aux trous noirs formés par la mort des étoiles, ceux-ci seraient nés de l'énergie brute de l'univers primitif. Pendant des décennies, les scientifiques se sont demandé si ces objets existent et s'ils pourraient constituer la « matière noire » invisible qui maintient les galaxies ensemble. Le défi a été de trouver un mécanisme physique capable de créer suffisamment de ces trous noirs sans enfreindre les règles de notre compréhension actuelle de la physique.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Burdwan en Inde a porté un regard neuf sur ce problème en utilisant un cadre spécifique de la théorie des cordes, un candidat de premier plan pour une théorie du tout. Ils se sont concentrés sur un paysage mathématique appelé « potentiel de l'inflaton », qui décrit le champ d'énergie responsable de la propulsion de l'expansion initiale de l'univers. Dans leur modèle, ils sont partis d'une version de ce champ qui explique avec succès la structure lisse et à grande échelle de l'univers que nous observons aujourd'hui. À ce modèle établi, ils ont introduit une perturbation localisée très faible. Imaginez que la pente douce d'une colline présente soudainement une petite bosse légère. Dans le langage des chercheurs, cette bosse a été créée en déformant légèrement l'une des formes géométriques fondamentales qui définissent les dimensions cachées de la théorie des cordes. Ce petit changement n'était pas une simple modification aléatoire ; il était conçu pour tester le comportement de l'univers lorsque l'expansion fluide de l'inflation rencontre un ralentissement temporaire et localisé.

Lorsque le champ qui conduit l'inflation franchit cette bosse, il ne s'accélère pas ou ne s'arrête pas complètement ; il ralentit au contraire de manière significative plus que d'habitude. Les chercheurs appellent cela une phase de « roulement ultra-lent » (ultra-slow-roll). Pendant cette brève pause, les fluctuations quantiques de l'univers, qui sont habituellement minuscules et inoffensives, sont amplifiées de manière spectaculaire. Considérez cela comme une pause momentanée dans une rivière tumultueuse qui permet à une petite ride de devenir une vague massive. Dans leurs simulations, cette amplification a provoqué une augmentation de la densité de la matière dans certaines régions à un niveau bien plus élevé que la moyenne. Lorsque l'univers a continué à s'étendre et que ces régions denses sont finalement réentrées dans l'horizon observable, la gravité en leur sein est devenue si forte qu'elles se sont effondrées instantanément en trous noirs.

L'étude a calculé les propriétés de ces trous noirs hypothétiques avec une grande précision. Ils ont découvert que le processus produirait des trous noirs ayant une masse approximativement équivalente à celle de la Terre ou de Jupiter, une taille bien plus petite que les trous noirs formés par les étoiles. Ces objets seraient incroyablement légers sur le plan astronomique, mais assez massifs pour survivre jusqu'à nos jours. Les chercheurs ont déterminé que ces trous noirs mettraient un temps presque inconcevable à s'évaporer, bien plus long que l'âge actuel de l'univers. Cela signifie que s'ils avaient été créés en nombre selon leur modèle, ils seraient encore là aujourd'hui, contribuant potentiellement à la matière noire qui imprègne le cosmos.

Cependant, l'existence de ces objets n'est pas exempte de contraintes. L'équipe a vérifié ses résultats par rapport aux observations du monde réel, en examinant spécifiquement les données des relevés de microlentilles gravitationnelles. Ces relevés recherchent l'éclat temporaire d'étoiles lointaines causé par la gravité d'objets passants. Les chercheurs ont constaté que, pour que leur modèle soit cohérent avec ce que nous voyons dans le ciel, la densité des fluctuations primordiales doit rester en dessous d'un seuil spécifique. Si les fluctuations étaient plus fortes, l'abondance de trous noirs résultante serait trop élevée, contredisant l'absence d'événements de microlentille observés. Leurs calculs suggèrent que, bien que ces trous noirs puissent exister, ils ne constitueraient qu'une petite fraction de la matière noire totale, environ 0,12 pour cent, plutôt que d'en être la seule explication.

Au-delà des trous noirs eux-mêmes, l'étude pointe vers un moyen potentiel de tester ces idées à l'avenir. Le processus violent de création de ces trous noirs générerait également des ondulations dans l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles. Les chercheurs ont noté que la fréquence spécifique de ces ondes se situe dans la plage de sensibilité du Square Kilometre Array, un projet de télescope radio massif actuellement en cours de développement. Cela suggère que des observations futures pourraient soit détecter ces ondes, fournissant une preuve solide de l'existence de ces trous noirs primordiaux, soit infirmer entièrement ce mécanisme spécifique. Ce travail offre une voie concrète, faisant passer la recherche de ces objets insaisissables de la pure théorie au domaine de la science observable.