Les origines de matière et de l'énergie noire restent mystérieuses ainsi que celles des trous noirs supermassifs révélés par le télescope spatial James-Webb déjà formés moins de 500 millions d'années après le Big Bang. Il se pourrait que ces trous noirs soient apparus tôt parce que la matière noire peut se désintégrer lentement, produisant un rayonnement qui chauffait des concentrations de matière peu après l'émission du fameux rayonnement fossile, la plus vieille lumière du cosmos observable.
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Le modèle cosmologique standard repose sur l'observation d'une accélération de l'expansion de l'espace de l'Univers observable depuis un peu plus de 5 milliards d'années alors que l'on attendait une décélération. Cela se manifeste dans les équations de la relativité générale utilisée pour construire des modèles de cosmologie relativiste depuis EinsteinEinstein par la présence d'une constante, ou supposée être telle dans l'espace et dans le temps, dont on peut rendre compte en postulant l'existence d'une énergie noire mystérieuse.
Le même modèle suppose l'existence de particules de matière d'un genre encore inconnu, surpassant en massemasse les quantités de matière baryonique connues sous la forme de protonsprotons et de neutronsneutrons dans essentiellement des noyaux des isotopesisotopes de l'hydrogènehydrogène et de l'héliumhélium stables. Il n'est toujours pas vraiment possible d'expliquer l'existence des galaxiesgalaxies et de certaines caractéristiques du rayonnement fossilerayonnement fossile sans cette matière noirematière noire qui aurait considérablement accéléré l'effondrementeffondrement gravitationnel des nuagesnuages d'hydrogène et d'hélium produits par le Big BangBig Bang via ce que l'on appelle la nucléosynthèsenucléosynthèse primordiale.
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Des trous noirs à l'origine et à la croissance mystérieuses
Tout cela est bien connu du grand public, en général, qui sait aussi que l'on n'arrive pas vraiment à expliquer l'existence des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs au cœur des galaxies, ces ogres cosmiques qui peuvent avaler des étoiles et qui contiennent de un million à plusieurs milliards de masses solaires. On a postulé divers mécanismes comme la formation peu après le Big Bang d’étoiles supermassives bien plus lourdes que celles que l'on peut voir dans l'Univers observable depuis des milliards d'années et qui se seraient effondrées en trous noirs de masses intermédiaires, contenant des dizaines voire des centaines de milliers de masses solaires, et qui auraient ensuite grossi en fusionnant ou en avalant la matière baryonique canalisée vers les galaxies par des filaments de matière noire froide.
Une autre hypothèse fait intervenir l'effondrement gravitationnel direct de très grands nuages de matière en trous noirs supermassifs. Mais cela prend tout de même du temps. Or, les dernières observations du télescope spatial James-Webb montrent que de grands trous noirs supermassifs contenant au moins un milliard de masses solaires, notamment derrière des quasarsquasars ultra-brillants, existaient déjà moins de 500 millions d'années après le Big Bang, supermassifs si tôt qu'on se demande s'ils sont bien compatibles avec le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard.
Des agents de refroidissement pour former étoiles et trous noirs
Une solution à ce problème fait encore intervenir la matière noire, mais en supposant qu'elle soit instable et que ces particules puissent se désintégrer - comme l'explique un article publié dans Physical Review Letters et que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv. Il provient de la collaboration de trois astrophysiciensastrophysiciens des particules travaillant pour l'University of California à Los Angeles.
Le raisonnement est le suivant. Pour former une étoileétoile ou un trou noir supermassif directement et rapidement, il faut que la matière baryonique se refroidisse lorsqu'un nuage se comprime sous l'effet de la gravitationgravitation ; sans quoi, le gazgaz de particule s'échauffe et la pressionpression résultante stoppe l'effondrement en dessous d'une certaine taille avant la formation de ces astresastres.
Dans l'Univers actuel, dans la Voie lactéeVoie lactée par exemple, le rôle de radiateurradiateur est dévolu à des particules silicatées et carbonées qui rayonnent dans l'infrarougeinfrarouge dans un nuage transparenttransparent à cette bande de longueur d'ondelongueur d'onde. Il n'y avait pas encore de noyaux de carbonecarbone et de siliciumsilicium après la nucléosynthèse primordiale du Big Bang, il a fallu attendre la nucléosynthèse stellaire.
En disant cela, le lecteur aura l'impression que l'on est confronté au dilemme de l'œuf et de la poule puisqu'il semble falloir des noyaux lourds pour faire naître les étoiles qui fabriquent ces noyaux.
Les protons, les neutrons, les atomes, d'où vient la matière ? Découvrez en animation-vidéo comment la matière est apparue il y a environ 13,7 milliards d'années. Des premiers noyaux d'hydrogène, encore appelés protons, aux noyaux plus lourds tels que le fer, différentes phases de l'histoire de l'Univers sont à l'origine de la création des éléments naturels présents sur Terre. Une animation-vidéo co-réalisée avec L'Esprit Sorcier. © CEA
Des contraintes sur la théorie de la matière noire
La solution vient du fait que l'on peut aussi avoir comme « agent réfrigérant » des molécules d’hydrogène H2 qui, elles, existent bien une fois le rayonnement fossile émis avec la naissance des premiers atomesatomes neutres, et donc des moléculesmolécules d'hydrogène en conséquence.
Toutefois, ces molécules conduisent à l'effondrement rapide de nuages qui ne donnent pas des trous noirs supermassifs !
C'est là qu'intervient à nouveau la matière noire. Instables, les particules la composant, tout en restant très majoritairement présentes pendant des milliards d'années (ce qui rend compte des observations avec les galaxies et les amas de galaxiesamas de galaxies actuels), se désintégreraient tout de même suffisamment pour avoir dissocié par leur rayonnement les molécules H2 freinant le refroidissement et, tout calcul fait, permettant l'effondrement de grands nuages suffisamment massifs pour rendre compte des observations du James-Webb.
Si tel était bien le cas, il faudrait toutefois que les caractéristiques des particules de matière noire soient telles que leur désintégration produirait bien des photonsphotons dans la bonne bande de fréquencesbande de fréquences pour dissocier assez de molécules H2. Cela pose des contraintes intéressantes sur les théories de la matière noire (masse des particules, taux de désintégration et dans quelles particules, etc.).
Un exemple de théorie avec des particules de matière noire instables a été donné par le prix Nobel de physique Roger Penrose.
Roger Penrose a rejoint le Arthur C. Clarke Center for Human Imagination le 19 janvier 2018 pour donner une conférence sur ses dernières recherches et donner un aperçu de la pensée d'un physicien théoricien moderne. L'Univers est-il destiné à s'effondrer, se terminant par un Big Crunch ou à s'étendre indéfiniment jusqu'à ce qu'il s'homogénéise dans une mort thermique ? Roger explique une troisième alternative, sa théorie de cosmologie cyclique conforme (CCC) – où l'Univers évolue à travers des éons, chacun se terminant par la désintégration des particules massives ou la disparition de leurs masses et recommençant avec un nouveau Big Bang. Les équations régissant le passage de chaque éon au suivant exigent la création d'un nouveau type de champ scalaire dominant, postulé comme étant à l'origine de particules de matière noire. Afin que ces particules ne s'accumulent pas d'éon en éon, elles sont supposées se désintégrer complètement au cours de l'histoire de chaque éon. On peut s'attendre à ce que les particules de matière noire, baptisées des érébons, se comportent presque comme des particules classiques, bien qu'avec des propriétés bosoniques ils auraient probablement une masse proche de celle de Planck et n'interagiraient que par gravitation. Leur désintégration produirait des signaux gravitationnels et serait responsable des fluctuations de température approximativement invariantes à l'échelle du CMB de l'éon suivant. Dans notre propre éon, la désintégration des érébons pourrait bien se manifester par des signaux discernables par des détecteurs d'ondes gravitationnelles. © Arthur C. Clarke Center for Human Imagination
