Les trous noirs primordiaux (PBH), dont on pense qu’ils se sont formés juste après le Big Bang, pourraient se réchauffer et exploser dans tout l’univers.
Ces explosions de trous noirs, alimentées par le rayonnement Hawking – un processus quantique dans lequel les trous noirs génèrent des particules à partir du vide en raison de leurs champs gravitationnels intenses – pourraient être détectées par les prochains télescopes, suggèrent les physiciens dans une nouvelle étude. Et, une fois repérées, ces explosions exotiques pourraient révéler si notre univers contient des particules jusqu’alors inconnues.
Les trous noirs depuis la nuit des temps
Il existe déjà de nombreuses preuves de l’existence de trous noirs allant de plusieurs fois la masse de le soleil à des milliards de fois la masse du soleil. Ces trous noirs ont été directement détectés grâce aux ondes gravitationnelles qu’ils émettent lors des fusions qui les aident à se développer. Certains trous noirs, comme le Sagittaire A* de la Voie Lactéeont même été directement imagés sous forme d' »ombres » par le télescope Event Horizon.
On pense que les PBH, proposés pour la première fois par Yakov Zeldovich et Igor Novikov en 1967, se sont formés dans les premières fractions de seconde après le Big Bang et pourrait avoir été aussi petite que des particules subatomiques, selon NASA. Contrairement à leurs homologues plus grands, qui se forment à partir de l’effondrement d’étoiles et de galaxies massives, les PBH pourraient avoir émergé de l’effondrement de régions ultradenses dans la « soupe primitive » extrêmement chaude de particules de l’univers primitif.
S’ils existent, ces objets compacts pourraient fournir une explication naturelle à matière noirel’entité invisible qui représente environ 85 % de la matière de l’univers. Cependant, les PBH restent insaisissables. Leur existence théorique est étayée par une combinaison de modèles cosmologiques, mais ils n’ont pas encore été observés directement.
L’effet de rayonnement Hawking
L’un des aspects les plus intéressants des PBH est leur lien avec le rayonnement Hawking. Selon théorie des quantales trous noirs ne sont pas complètement « noirs » ; ils peuvent émettre des radiations et perdre lentement de la masse grâce à un processus théorisé pour la première fois par Stephen Hawking. Cette émission, connue sous le nom de rayonnement Hawking, se produit lorsque des paires de particules virtuelles entrent et sortent du vide de l’espace près du bord d’un trou noir – son « horizon des événements ». Alors que ces paires s’annihilent normalement, si l’une tombe dans le trou noir, l’autre particule peut s’échapper sous forme de rayonnement. Au fil du temps, cela conduit à l’évaporation progressive du trou noir.
« Pour les trous noirs dont la masse est plusieurs fois supérieure à celle du Soleil, le rayonnement de Hawking est presque indétectable. » Marco Calzàphysicien théoricien à l’Université de Coimbra au Portugal et co-auteur de l’étude, a déclaré à Live Science dans un e-mail. « Mais les trous noirs plus légers, comme les PBH, seraient beaucoup plus chauds et émettraient beaucoup plus de rayonnements, ce qui nous permettrait potentiellement de détecter ce processus. Ce rayonnement peut inclure une variété de particules, des photons aux électrons en passant par les neutrinos. »
À mesure que le PBH s’évapore, il perd de la masse, devient plus chaud et émet plus de rayonnement dans une boucle de rétroaction. À terme, le trou noir devrait exploser dans une puissante explosion de rayonnement – un processus que recherchent activement les télescopes à rayons gamma et à neutrinos existants. Bien qu’aucune explosion définitive de PBH n’ait encore été détectée, la nouvelle étude suggère que ces événements rares pourraient être la clé pour débloquer une nouvelle physique.
Sonder les derniers instants d’un PBH
Dans leur récente étude, publiée dans le Journal de physique des hautes énergiesCalzà et le co-auteur de l’étude João G. Rosa, également physicien théoricien à l’Université de Coimbra, ont présenté des méthodes innovantes pour étudier les PBH au cours de leurs dernières étapes d’évaporation. En analysant les propriétés de leur rayonnement Hawking, le duo a développé des outils pour estimer la masse et la rotation d’un PBH.
« Suivre la masse et la rotation d’un PBH au fur et à mesure de son évaporation pourrait fournir des indices précieux sur sa formation et son évolution », a déclaré Rosa à Live Science dans un e-mail.
Leurs travaux ont des implications significatives pour la physique fondamentale. Dans une étude précédente, Rosa, Calzà et leur collaborateur John March-Russell de l’Université d’Oxford ont exploré comment théorie des cordes – une tentative d’unifier les forces fondamentales de la nature au sein d’une seule théorie quantique – pourrait affecter un PBH en évaporation. La théorie des cordes prédit l’existence de nombreuses particules de faible masse appelées axions, qui n’ont pas de spin intrinsèque. Leurs recherches suggèrent que l’émission d’axions pourrait en fait provoquer un PBH, contrairement aux prédictions de Hawking.
« Un PBH en rotation fournirait des preuves irréfutables de ces axions exotiques, révolutionnant potentiellement notre compréhension de la physique des particules », a déclaré Calzà.
En outre, l’étude suggère que l’analyse de l’évolution de la masse et du spin d’un PBH dans ses derniers instants pourrait révéler l’existence d’autres nouvelles particules. En suivant le spectre du rayonnement Hawking, les scientifiques pourraient être en mesure de distinguer les modèles de physique des particules à haute énergie. Les télescopes à neutrinos, comme IceCube, pourraient même aider à découvrir ces nouvelles particules alors que les PBH explosent dans l’espace.
« Si nous parvenons à capturer un seul PBH en explosion et à mesurer son rayonnement Hawking, nous pourrions en apprendre énormément sur les nouvelles particules et potentiellement guider la conception des futurs accélérateurs de particules », a déclaré Rosa.
Bien qu’aucune explosion de PBH n’ait encore été détectée, les outils et méthodes développés par l’équipe de Calzà et Rosa pourraient ouvrir la voie à de futures découvertes. Les chercheurs ont souligné que des expériences dédiées pourraient ne pas être nécessaires, car plusieurs nouveaux télescopes à rayons gamma et à neutrinos d’une sensibilité sans précédent sont déjà en développement.
« Les prochains télescopes pourraient facilement en repérer un s’il explose à proximité. Si nous avons la chance de détecter une explosion de PBH, cela pourrait changer tout ce que nous savons sur les lois fondamentales de la nature », a déclaré Rosa.
