Comment se sont formés les trous noirs supermassifs ? Qu’est-ce que la matière noire ? Dans un modèle alternatif sur la façon dont l’Univers est né, par rapport à l’histoire « de manuel » de l’Univers, une équipe d’astronomes propose que ces deux mystères cosmiques pourraient être expliqués par ce que l’on appelle des « trous noirs primordiaux ». Dans le graphique, l’accent est mis sur la comparaison du moment de l’apparition des premiers trous noirs et étoiles, et ne signifie pas qu’il n’y a pas de trous noirs pris en compte dans le modèle standard. Crédit : ESA
Des trous noirs se sont-ils formés immédiatement après le Big Bang ?
Comment se sont formés les trous noirs supermassifs ? Qu’est-ce que la matière noire ? Dans un modèle alternatif sur la façon dont l’Univers est né, par rapport à l’histoire « de manuel » de l’Univers, une équipe d’astronomes propose que ces deux mystères cosmiques pourraient être expliqués par ce que l’on appelle des « trous noirs primordiaux ».
Nico Cappelluti (Université de Miami), Günther Hasinger (Directeur scientifique de l’ESA) et Priyamvada Natarajan (Université de Yale), suggèrent que les trous noirs existent depuis le début de l’Univers et que ces trous noirs primordiaux pourraient eux-mêmes être la matière noire encore inexpliquée. La nouvelle étude est acceptée pour publication dans Le Journal d’Astrophysique.
« Les trous noirs de différentes tailles restent un mystère. Nous ne comprenons pas comment les trous noirs supermassifs ont pu devenir si énormes dans le temps relativement court disponible depuis que l’Univers existe », explique Günther Hasinger.
À l’autre extrémité de l’échelle, il pourrait également y avoir de très petits trous noirs, comme suggéré par les observations de Gaia de l’ESA, par example. S’ils existent, ils sont trop petits pour s’être formés à partir d’étoiles mourantes.
“Notre étude montre que sans introduire de nouvelles particules ou une nouvelle physique, nous pouvons résoudre les mystères de la cosmologie moderne de la nature de la matière noire elle-même à l’origine des trous noirs super-massifs”, explique Nico Cappelluti.
Deux futures missions du programme de sciences spatiales de l’ESA étudieront certains des phénomènes les plus extrêmes de l’Univers : Athena, le télescope avancé pour l’astrophysique des hautes énergies, et LISA, l’antenne spatiale de l’interféromètre laser. Actuellement en phase d’étude, le lancement des deux missions est prévu au début des années 2030. Athena sera le plus grand observatoire à rayons X jamais construit, étudiant certains des phénomènes les plus chauds et les plus énergétiques du cosmos avec une précision et une profondeur sans précédent. Pendant ce temps, LISA sera le premier observatoire spatial des ondes gravitationnelles – des fluctuations dans le tissu de l’espace-temps produites par l’accélération d’objets cosmiques avec des champs de gravité très forts, comme des paires de trous noirs fusionnants. Crédit : ESA – S. Poletti
Si la plupart des trous noirs se sont formés immédiatement après la Big Bang, ils auraient pu commencer à fusionner au début de l’Univers, formant de plus en plus de trous noirs massifs au fil du temps. Le futur observatoire spatial des ondes gravitationnelles de l’ESA, LISA, pourrait capter les signaux de ces fusions si des trous noirs primordiaux existent. Les petits trous noirs pourraient simplement être les trous noirs primordiaux qui n’ont pas encore fusionné avec de plus grands.
Selon ce modèle, l’Univers serait rempli de trous noirs partout. Des étoiles commenceraient à se former autour de ces amas de « matière noire », créant des systèmes solaires et des galaxies sur des milliards d’années. Si les premières étoiles se sont effectivement formées autour des trous noirs primordiaux, elles existeraient plus tôt dans l’Univers que ne le prévoit le modèle « standard ».
Le télescope spatial James Webb est un observatoire spatial pour voir plus loin dans l’Univers que jamais auparavant. Il est conçu pour répondre à des questions en suspens sur l’Univers et pour faire des découvertes révolutionnaires dans tous les domaines de l’astronomie. Webb observera les premières galaxies de l’Univers, révélera la naissance des étoiles et des planètes et cherchera des exoplanètes ayant un potentiel de vie. Crédit : ESA/ATG medialab
« Les trous noirs primordiaux, s’ils existent, pourraient bien être les graines à partir desquelles tous les trous noirs se forment, y compris celui au centre du voie Lactée, explique Priyamvada Natarajan.
La mission Euclid de l’ESA, qui sondera l’Univers sombre plus en détail que jamais, pourrait jouer un rôle dans la quête pour identifier les trous noirs primordiaux comme candidats à la matière noire.
Le prochain télescope spatial James Webb de la NASA/ESA/CSA, une machine à remonter le temps cosmique qui remonte à plus de 13 milliards d’années, fera encore plus la lumière sur ce mystère.
« Si les premières étoiles et galaxies se sont déjà formées dans les soi-disant« âges sombres », Webb devrait pouvoir en voir des preuves », ajoute Günther.
Référence : « Exploration de l’univers PBH-ΛCDM à fort décalage vers le rouge : trou noir seeding, the first stars and cosmic radiation backgrounds » par N. Cappelluti, G. Hasinger et P. Natarajan, Accepté, Le Journal d’Astrophysique.
arXiv : 2109.08701
