On pense que la matière noire représente environ 26 % de l’Univers connu, mais personne ne sait vraiment ce qu’elle est, de quoi elle est faite ou comment la détecter.
Comme la matière “normale” que nous voyons dans les étoiles, les humains, la vase et tout le reste du cosmos, la matière noire semble exercer une force gravitationnelle, mais elle n’émet aucune forme de lumière ou de rayonnement que les scientifiques puissent détecter. C’est comme si l’Univers était hanté par le fantôme le plus envahissant qui soit – nous pouvons sentir sa présence, mais nous n’avons pas les bons gadgets pour le prendre sur le fait.
Aujourd’hui, un astrophysicien de la NASA affirme qu’il pourrait être en mesure d’expliquer pourquoi nos modèles actuels de l’Univers requièrent l’existence d’une matière noire, mais que nous ne la trouvons pas, quels que soient nos efforts : la matière noire pourrait être constituée de trous noirs massifs apparus une fraction de seconde après la naissance de l’Univers.
L’existence de ces trous noirs dits primordiaux pourrait avoir faussé la distribution de la masse dans l’Univers primitif, des particules de masse élevée telles que les particules massives à faible interaction (WIMP) et les particules massives à faible interaction (WIMP), explique Alexander Kashlinsky du Goddard Space Flight Centre de la NASA, ce que nous essayons d’expliquer par l’existence d’axions hypothétiques depuis des décennies.
Mais toutes les expériences menées jusqu’à présent, telles que les missions du spectromètre magnétique alpha et du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, n’ont pas permis de prouver que ces particules existent réellement.
“Ces études fournissent des résultats de plus en plus sensibles, réduisant lentement la boîte de paramètres où les particules de matière noire peuvent se cacher”, déclare Kashlinsky. “L’échec de leur découverte a suscité un regain d’intérêt pour l’étude de l’efficacité des trous noirs primordiaux – trous noirs formés dans la première fraction de seconde de l’Univers – en tant que matière noire.”
En 2005, Kashlinsky et son équipe ont utilisé le télescope spatial Spitzer de la NASA pour prendre un instantané de la lueur de fond de la lumière infrarouge dans une certaine région de l’espace. Cet instantané est connu sous le nom de “fond infrarouge cosmique” (CIB).
Une tache distinctive est apparue dans cette lueur, et les astronomes ont déclaré que le coupable le plus probable était la lumière agrégée des premières sources qui ont illuminé l’Univers il y a plus de 13 milliards d’années. Mais quelles étaient exactement ces premières sources ? Pourraient-elles être les tout premiers trous noirs ?
En 2013, une autre étude a comparé le fond diffus cosmologique (CXB) détecté par l’observatoire Chandra de la NASA au CIB dans la même région de l’espace.
À gauche : le télescope spatial Spitzer de la NASA montre une vue infrarouge de la constellation Ursa Major. À droite : le télescope spatial Spitzer de la NASA montre une vue infrarouge de la constellation Ursa Major : Une lueur de fond irrégulière dans le fond infrarouge cosmique (CIB) de la même région. Crédit : NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)
En raison des types d’émissions qu’elles dégagent, les premières étoiles de l’Univers n’ont pas été retenues comme candidates pour les premières sources de lumière, ce qui ne laissait qu’une seule explication.
“La lueur irrégulière des rayons X de faible énergie dans la CXB correspondait assez bien à la dispersion de la CIB. Le seul objet que nous connaissons qui puisse être suffisamment lumineux dans une gamme d’énergie aussi large est un trou noir”, déclare Kashlinsky.
C’est la preuve A que les trous noirs sont l’identité secrète de la matière noire. La preuve B s’est produite le 14 septembre 2015, date à laquelle les scientifiques de l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ont détecté la première preuve directe d’ondes gravitationnelles. L’importance de ce que l’équipe LIGO a découvert ne s’est pas arrêtée là, comme l’explique Deborah Byrd pour Earthsky.org :
“En plus d’être la toute première détection d’ondes gravitationnelles, et en supposant que l’événement LIGO a été interprété correctement, cet événement a également marqué la première détection directe de trous noirs. En tant que tel, il a donné aux scientifiques des informations sur les masses des différents trous noirs, qui étaient de 29 et 36 fois la masse du Soleil, plus ou moins quatre masses solaires environ.”
Ce détail est significatif, car Kashlinsky vient de publier une nouvelle étude qui confirme que ces masses sont cohérentes avec les masses estimées pour les trous noirs primordiaux. “En fait, il suggère que ce que LIGO aurait pu détecter était une fusion de trous noirs primordiaux”, explique Bryd.
Dans cette optique, l’article de Kashlinsky analyse ce qui aurait pu se passer dans l’Univers primitif si une population de trous noirs primordiaux similaires à ceux détectés par LIGO avait joué le rôle de la matière noire.
Kashlinsky explique que pendant les 500 premiers millions d’années de la vie de l’Univers, la matière normale – ou “visible” – aurait été beaucoup trop chaude pour se fondre dans les premières étoiles. La matière noire ne semble pas du tout réagir à la chaleur extrême, ce qui signifie qu’elle aurait pu s’effondrer en amas appelés minihalo. La force gravitationnelle de ces minihalo a ensuite permis à la matière normale de s’accumuler.
“Le gaz chaud s’est effondré vers les minihalo, ce qui a donné naissance à des poches de gaz suffisamment denses pour s’effondrer à leur tour et former les premières étoiles”, explique Francis Reddy pour la NASA. “Kashlinsky montre que si les trous noirs jouent le rôle de la matière noire, ce processus se produit plus rapidement et produit facilement les grumeaux de la CIB détectés dans les données Spitzer, même si seule une petite fraction des minihalo parvient à produire des étoiles.”
La cohérence observée dans le CIB et le CXB peut s’expliquer par la lumière infrarouge émise par les premières étoiles créées par ce processus, et les rayons X provenant du gaz tombant dans les trous noirs de matière noire.
“Cette étude est un effort pour rassembler un large ensemble d’idées et d’observations afin de tester leur adéquation, et l’adéquation est étonnamment bonne”, déclare Kashlinsky. “Si cette hypothèse est correcte, alors toutes les galaxies, y compris la nôtre, sont intégrées dans une vaste sphère de trous noirs ayant chacun environ 30 fois la masse du Soleil.”
Cette hypothèse a été exposée dans The Astrophysical Journal Letters.
Seules d’autres preuves provenant des futures expériences LIGO pourront la renforcer ou la réfuter, mais en attendant, il est peut-être temps d’ajouter les trous noirs primordiaux à la liste des candidats à la matière noire.
Et si Kashlinsky a raison, alors la matière noire se cachait vraiment sous notre nez pendant tout ce temps – la chose la plus sombre et la plus mystérieuse de l’Univers est la chose la plus sombre et la plus mystérieuse de l’Univers.