Un signal étrange de LIGO pourrait révéler le lien manquant derrière la matière noire
Les trous noirs primordiaux demeurent l’une des idées les plus intrigantes de l’astronomie depuis des décennies. Des chercheurs de l’Université de Miami estiment qu’une récente détection d’ondes gravitationnelles pourrait rapprocher les scientifiques de la confirmation de l’existence de ces objets anciens, une avancée qui pourrait également aider à résoudre le mystère persistant de la matière noire.
Les trous noirs primordiaux sont supposés s’être formés durant les premières fractions de seconde après le Big Bang, longtemps avant l’apparition des premières étoiles ou galaxies. Contrairement aux trous noirs issus de l’effondrement d’étoiles, ces objets hypothétiques pourraient varier en taille, allant de la taille d’un astéroïde à des corps beaucoup plus massifs. Bien qu’aucun trou noir primordial n’ait encore été confirmé, les scientifiques pensent qu’ils pourraient répondre à plusieurs questions majeures sur l’univers, notamment celle de la nature de la matière noire, une substance invisible qui représente environ 85 % de toute la matière et qui fournit la force gravitationnelle maintenant les galaxies ensemble.
Nico Cappelluti, professeur associé au département de physique de l’Université de Miami, a déclaré : « Nous croyons que notre étude contribuera à confirmer qu’ils existent réellement. » Cette recherche a été menée en collaboration avec le doctorant Alberto Magaraggia.
Un signal inhabituel de LIGO
Leur travail s’appuie sur une possible découverte rapportée par l’Observatoire des ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO), qui a détecté un signal d’onde gravitationnelle inhabituel à la fin de l’année dernière. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps causées par certains des événements les plus violents de l’univers, tels que les collisions entre trous noirs.
La plupart des trous noirs connus se forment après l’explosion de grandes étoiles en supernova. Leur masse varie généralement de plusieurs fois celle du Soleil à des milliards de masses solaires. Cependant, en novembre, LIGO a émis une alerte automatique pour une fusion dans laquelle au moins un objet semblait avoir une masse inférieure à celle du Soleil. Un trou noir aussi petit serait difficile à expliquer par l’évolution stellaire conventionnelle et pourrait indiquer l’existence d’un trou noir primordial.
Certaines astrophysiciens restent sceptiques et suggèrent que le signal pourrait simplement être du bruit dans les détecteurs extrêmement sensibles de LIGO, plutôt qu’une preuve d’une découverte exceptionnelle.
Cela pourrait-il expliquer la matière noire ?
Cappelluti et Magaraggia soutiennent que l’objet détecté est mieux expliqué comme un trou noir primordial qui s’est formé dans les conditions denses de l’univers primitif, longtemps avant l’apparition des étoiles. Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont estimé combien de trous noirs primordiaux pourraient exister dans l’univers et la fréquence à laquelle LIGO devrait les détecter.
« Nous avons tenté d’estimer combien de trous noirs primordiaux pourraient exister dans l’univers et combien d’entre eux LIGO devrait être capable de détecter », a déclaré Magaraggia. « Nos résultats sont encourageants. Nous prédisons que les trous noirs subsolaires, comme celui que LIGO a peut-être observé, devraient être rares, ce qui est cohérent avec la fréquence à laquelle de tels événements ont été observés jusqu’à présent. »
Leurs résultats, publiés dans The Astrophysical Journal, suggèrent que le signal mystérieux de LIGO n’a pas d’explication astrophysique conventionnelle et est le plus cohérent avec un trou noir primordial. Cappelluti a déclaré : « L’étude suggère que l’explication la plus plausible pour le signal de LIGO, qui manque d’explication astrophysique conventionnelle, est la détection d’un trou noir primordial. Et notre recherche indique que ces trous noirs primordiaux pourraient représenter une portion significative, voire la totalité, de la matière noire. »
Cependant, les deux chercheurs soulignent qu’une seule détection ne suffit pas à trancher la question. Pour l’instant, les scientifiques doivent attendre de voir si LIGO et ses partenaires internationaux enregistrent d’autres événements correspondant au même motif. Cappelluti a ajouté : « LIGO a capté des preuves très solides de l’existence de ces types de trous noirs. Mais nous devrons détecter un autre signal ou même plusieurs pour obtenir la confirmation décisive de leur réalité. Mais ce qui est clair, c’est qu’ils ne peuvent pas être exclus comme étant réels. »
Une théorie qui remonte à des décennies
Le concept de trous noirs primordiaux remonte à l’ère de la guerre froide, lorsque les scientifiques soviétiques Yakov Zeldovich et Igor Novikov ont d’abord proposé leur existence. Dans les années 1970, Stephen Hawking a élargi cette idée, soutenant que ces objets pourraient être abondants dans l’univers, émettre des radiations et potentiellement expliquer la matière noire.
LIGO a ensuite fourni la première opportunité de rechercher des preuves soutenant ces théories. Le 14 septembre 2015, l’observatoire a marqué l’histoire en détectant pour la première fois des ondes gravitationnelles, confirmant une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein et ouvrant une nouvelle voie d’étude de l’univers.
L’avenir de l’astronomie des ondes gravitationnelles
LIGO se compose de deux observatoires situés à Hanford, Washington, et à Livingston, Louisiane. Avec le détecteur Virgo en Italie et l’observatoire souterrain KAGRA au Japon, ils forment la collaboration internationale LVK, qui recherche des trous noirs, des régions de l’espace où la gravité est si forte que même la lumière ne peut s’échapper.
Des mises à niveau prévues rendront LIGO encore plus sensible, augmentant ses chances de trouver d’autres candidats de trous noirs primordiaux. Cependant, les deux détecteurs en forme de L de l’observatoire, chacun ayant des bras sous vide de 2,5 miles de long, ont été conçus pour détecter les ondes gravitationnelles à haute fréquence produites par des collisions cosmiques relativement récentes, et non les ondes générées directement lors du Big Bang.
Des observatoires futurs étendront cette portée beaucoup plus loin dans le temps. L’Agence spatiale européenne prévoit de lancer l’antenne spatiale d’interférométrie laser (LISA) en 2035, qui devrait détecter des ondes gravitationnelles des premières époques de l’univers après le Big Bang. Une autre installation prévue, Cosmic Explorer, est actuellement en phase de conception aux États-Unis. Les chercheurs s’attendent à ce qu’elle soit environ dix fois plus sensible que LIGO, permettant de détecter des fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons remontant à l’époque où les premières étoiles se sont formées.
Source : The Astrophysical Journal
