Un phénomène théorique proposé par le célèbre physicien Stephen Hawking peut avoir changé la forme de l’univers, propose de nouvelles recherches.
Dans les années 1970, Hawking a introduit un concept révolutionnaire: Trous noirs – traditionnellement considéré comme des entités cosmiques qui engloutir tout dans leur voisinage – pourrait émettre un rayonnement similaire à la façon dont un objet chauffé le fait. Ce phénomène, maintenant connu sous le nom Rayonnement de colportagereste théorique en raison de la puissance d’émission minimale calculée pour les trous noirs stellaires et supermassifs.
Cependant, une étude récente publiée dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics propose que ce rayonnement insaisissable ait pu influencer considérablement la structure précoce de l’univers. Les chercheurs suggèrent que les trous noirs primordiaux, supposés avoir existé peu de temps après le Big bangaurait pu émettre un rayonnement de colportage intense, laissant des empreintes détectables sur le cosmos que nous observons aujourd’hui.
« Une possibilité intrigante est que l’univers précoce a subi une phase dans laquelle sa densité d’énergie était dominée par les trous noirs primordiaux, qui s’évaporés par le rayonnement de colportage », ont écrit les scientifiques dans leur étude. « Il s’agit d’une conséquence générique de trous noirs primordiaux ultra-légers (…), car même une petite abondance initiale de tels objets venait rapidement dominer l’univers à mesure qu’il s’étendait. »
Déchiffrer le rayonnement de colportage
Le travail séminal de Hawking a fusionné partiellement les cadres mathématiques du général relativité et mécanique quantique – Deux théories fondamentales de la physique qui n’ont pas encore été entièrement unifiées – pour explorer la physique des trous noirs. Il a constaté que les trous noirs, autrefois considérés comme des pièges incontournables, pouvaient en fait émettre des particules, y compris des photons (lumière).
Surtout, le taux d’émission diminue à mesure que la masse du trou noir augmente, ce qui signifie que les trous noirs qui se sont formés à partir d’étoiles qui s’effondrent, ainsi que les troupeaux supermassifs qui ancrent les galaxies, rayonneraient si faiblement que leur rayonnement de colportage serait impossible à détecter avec les instruments actuels.
Cependant, il est largement cru que dans le premier univers, des trous noirs beaucoup plus petits – chacun avec une masse de moins de 100 tonnes – auraient pu se former. Ces soi-disant trous noirs primordiaux aurait émis des particules à un rythme suffisamment significatif pour influencer les structures cosmiques telles que les galaxies et les grappes.
« Divers scénarios cosmologiques prédisent la formation de trous noirs dans l’univers précoce », ont écrit les auteurs. « Par exemple, les trous noirs primordiaux peuvent s’être formés à partir de l’effondrement gravitationnel des régions de surdems. »
Notamment, le rayonnement de colportage de ces trous noirs primordiaux engloberait tous les types de particules, y compris les particules hypothétiques qui interagissent faiblement avec les particules connues décrites par le modèle standard. Cela implique qu’un tel rayonnement pourrait offrir une avenue unique pour étudier ces particules insaisissables, qui peuvent être impossibles à produire dans des accélérateurs de particules.
Enquêter sur l’impact des trous noirs primordiaux
En utilisant les équations générales de la relativité d’Einstein, l’équipe de recherche a analysé diverses particules avec différentes masses et tours pour déterminer leur impact sur la distribution de la matière de l’univers. Par exemple, si un grand nombre de particules légères et en mouvement rapide étaient présentes, elles pourraient entraver la formation de petites galaxies, car ces particules auraient du mal à se rassembler en quantités suffisantes pour former des structures denses. L’équipe a également étudié d’autres effets possibles que ces particules pourraient avoir.
« Si l’une de ces particules est stable et persiste jusqu’à nos jours, nous les appelons colportant des reliques », ont expliqué les chercheurs dans leur article. « Les reliques de colportage sans masse contribueraient au budget de rayonnement cosmique (…) et pourraient être détectées dans les mesures du fond micro-ondes cosmiques. »
Les scientifiques ont méticuleusement examiné comment les reliques de colportage pourraient influencer la structure cosmique actuelle. Bien qu’ils n’aient pas trouvé de preuves directes de ces reliques, leur analyse leur a permis de contraindre les propriétés des particules et des trous noirs primordiaux qui auraient pu les émettre.
« S’il y avait un nombre significatif de trous noirs évaporants pendant la période où les premiers noyaux se sont formés, le nombre prévu de noyaux atomiques dans l’univers serait incorrect », ont écrit les physiciens. « Nous exigeons donc que les trous noirs primordiaux s’évaporent avant cette période, ce qui nous donne une limite supérieure sur leur masse de cinq cents tonnes. »
L’équipe a également exploré l’hypothèse selon laquelle les reliques de colportage pourraient constituer une matière noire, ce qui représente environ 85% de toutes les matières dans l’univers. Leurs résultats suggèrent que les reliques de colportage ne sont pas un bon match pour matière noire.
« Nous limitons l’abondance des reliques de colportage chaud à moins de ∼ 2% de la matière noire, même si les trous noirs primordiaux ont produit plusieurs types de particules de relique », notent les scientifiques.
Perspectives futures
Bien que les observations actuelles n’aient pas confirmé l’existence de reliques de colportage, les chercheurs restent optimistes. Ils croient que les instruments à venir avec une précision améliorée pourraient détecter ces reliques, validant ainsi l’existence de rayonnement colportif et de trous noirs primordiaux et permettant des études expérimentales de leurs propriétés.
« La découverte d’une relique de colportage ouvrirait une fenêtre à l’état thermique de l’univers (tôt) (…) », a écrit l’équipe. « Cela serait non seulement important pour la cosmologie de l’univers précoce, mais cela ouvrirait également une nouvelle frontière de physique des particules au-delà du modèle standard et donnerait les premières preuves d’observation du rayonnement de colportage, de l’évaporation du trou noir et des trous noirs primordiaux. »
En résumé, alors que Hawking Radiation reste une construction théorique, son rôle potentiel dans la formation de la structure précoce de l’univers offre une avenue convaincante pour la recherche. L’étude des trous noirs primordiaux et de leurs restes possibles pourrait fournir une idée profonde de la cosmologie et de la physique des particules, combler ainsi les lacunes dans notre compréhension de l’enfance de l’univers.
