Comment les physiciens russes expliquent l'origine des trous noirs primordiaux

Des chercheurs du monde entier ont déjà découvert dans l'univers un millier d'objet correspondant à la définition de "trous noirs". Ils constituent une zone d'espace-temps dont l'attraction gravitationnelle est si forte que même les objets se déplaçant à la vitesse de la lumière, y compris les photons, ne peuvent la quitter.

Toutefois, jusqu'à maintenant, toutes les preuves de l'existence des trous noirs sont indirectes — ce qui, du point de vue de nombreux chercheurs, ne réduit pas leur signification. Si seules les preuves directes étaient jugées véridiques, il faudrait reconnaître que c'est le Soleil qui tourne autour de la Terre et non l'inverse. Il est admis depuis longtemps que les trous noirs peuvent apparaître après l'explosion d'étoiles massives. Aujourd'hui, de tels processus sont observés par dizaines par les astronomes dans l'espace. Selon les chercheurs, pratiquement chaque galaxie (dont on compte une centaine de milliards) possède en son centre un trou noir massif ayant une masse équivalente à des millions voire des milliards de masses du Soleil. Par exemple, au centre de notre galaxie, la Voie lactée, se trouve un trou noir dont la masse est plusieurs millions de fois plus importante que celle de notre Soleil.

Les données des observations indiquent de plus en plus clairement l'existence des trous noirs primordiaux, qui se sont formés si tôt que leur apparition est difficile à expliquer par les moyens standard. Le fait est qu'au moins un milliard d'années est nécessaire pour la formation d'un trou noir massif. L'Univers étant né il y a 13,8 milliards d'années, le trou noir le plus ancien devrait dater d'au moins un milliard d'années "après la naissance de l'Univers". Toutefois on a découvert des trous noirs formés il y a 700 millions d'années après la naissance de l'Univers. Ces derniers sont très massifs — leur masse équivaut à des milliards de Soleils.

De plus, les ondes gravitationnelles découvertes en 2016 laissent présager l'existence d'une origine non stellaire. Comme elles ont été formées après la fusion de deux trous noirs massifs, on peut en déduire que ces corps ont, un jour, été à proximité. La probabilité que de tels trous noirs massifs coexistent à proximité l'un de l'autre est faible si l'on adopte le scénario de leur origine stellaire.

Il s'avère que l'existence de trous noirs primordiaux doit être expliquée d'une autre manière. L'approche développée par le MEPhI (Institut d'ingénierie physique de Moscou) de l'Université nationale de recherche nucléaire (groupe de recherche du professeur de la chaire de physique des particulières élémentaires Sergueï Roubine) permet d'expliquer l'apparition des trous noirs primordiaux sans rejeter, en parallèle, la formation stellaire.

"Imaginons que l'Univers soit rempli par un champ hypothétique, explique le professeur Sergueï Roubine. En introduisant la notion de champ on parle généralement de son énergie potentielle. Autrement dit, si un champ est donné, on sait quelle est son énergie. Si le champ a changé de valeur, alors l'énergie a également changé de valeur. C'est-à-dire que l'énergie potentielle dépend de la valeur de ce champ. Personne ne connaît la forme de ce potentiel. Mais en supposant qu'il possède deux minimums, il pourrait s'avérer que grâce aux fluctuations de l'Univers primordial en élargissement dans une certaine partie de l'espace, le champ saute par-dessus la "crête du maximum" pour retomber au minimum".

Et de poursuivre: "On sait que toute l'énergie tend vers le minimum en présence de friction. En d'autres termes, l'espace principal tend vers un minimum, mais dans une région réduite il tend vers un autre. Et cette région réduite possède une très grande énergie susceptible de se transformer en trou noir."

Contrairement à de nombreux autres modèles de formation des trous noirs primordiaux, la version avancée par les physiciens du MEPhI sous la direction de Sergueï Roubine suppose que qu'ils se forment en clusters (amas). Les calculs ont montré que si dans un espace spatial existait la probabilité de passer par-dessus de la "crête du maximum", dans les régions voisines cette probabilité est relativement élevée. Actuellement, les chercheurs travaillent sur des versions d'évolution des clusters des trous noirs primordiaux après leur naissance.

"Le plus intéressant est ce qui arrive à ces clusters ensuite, poursuit Sergueï Roubine. Il est évident que la région qui a franchi le maximum la première aura la plus grande masse. Nous ne savons pas exactement quelle est cette masse et quelle sera exactement la répartition des trous noirs de par leur masse. Ceci, ainsi que la dynamique qui suivra, dépendent des paramètres du modèle et des conditions initiales. Dès que les trous noirs primordiaux se sont formés, ils ont commencé à interagir, à s'entrechoquer et à fusionner. De plus, les trous noirs qui se trouvaient à la périphérie commencent à être capturés par l'élargissement global de l'espace et s'envolent du cluster pour toujours. Autrement dit, les clusters commencent à vivre leur propre vie, à cuire dans la "soupe" de l'univers primordial. Bref, cette dynamique est complexe et actuellement nous créons un code qui permettra d'analyser toutes ces transformations."

Malheureusement, il est impossible pour l'instant de vérifier la théorie de Sergueï Roubine grâce à une expérience sur un accélérateur — on ne peut pas obtenir en laboratoire la quantité d'énergie suffisante pour la formation d'un trou noir. Cependant, les nouvelles données des observations des trous noirs primordiaux aideront, à terme, à répondre aux questions concernant leur apparition.