Presque un siècle après leur prédiction, les ondes gravitationnelles ont été détectées. D'autres sur la théorie de la relativité générale attendent encore d'être vérifiées. Il en est une qui concerne ce que l'on appelle les trous noirs primordiaux. Ils pourraient constituer une part significative de la matière noire et peut-être bien plus que cela, selon certains astrophysiciens.
au sommaire
Il y a 5 ans, était célébré le centenaire de la découverte des équations finales de la théorie de la relativité générale et l'on découvrait directement sur Terre pour la première fois les ondes gravitationnellesondes gravitationnelles prédites par cette théorie. Leur étude -- ainsi que l'obtention de la première image de l'ombre de l'horizon de ce qui semble bel et bien être un trou noir supermassif décrit par les équations d'EinsteinEinstein, M87* -- a renforcé la conviction que des trous noirs se formaient bien dans le cosmoscosmos observable.
Les héritiers d'Einstein qui ont exploré la physique de ces objets ont donc fort justement reçu le prix Nobel de physique, d'abord Kip Thorne, ensuite Roger Penrose. Stephen HawkingStephen Hawking aurait sans aucun doute mérité d'en faire partie mais il s'est éteint trop tôt, tout comme Robert Brout, l'un des théoriciens découvreurs du boson de Brout-Englert-Higgs. Il serait logique, dans les années à venir, qu'Alain Brillet et Thibault Damour deviennent eux aussi lauréats du prix Nobel.
Mais, en attendant, bien d'autres conséquences possibles de la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein attendent leurs confirmations... ou leurs réfutations car il existe, par exemple, d'autres théories possibles gouvernant la physique d'un espace-tempsespace-temps courbe. On s'interroge ainsi depuis des décennies sur l'existence de trous noirs dits primordiaux laissés par la phase Big Bang de l'UniversUnivers.
Mais de quoi s'agit-il exactement ?
Une présentation du télescope japonais Subaru avec son miroir de 8,2 m de diamètre. Il est situé au somment du Mauna Kea sur l'île d'Hawaï. © National Astronomical Observatory of Japan
Des trous noirs primordiaux microscopiques et macroscopiques
Dans le cadre des modèles cosmologiques relativistes hérités notamment des travaux de Georges LemaîtreGeorges Lemaître, la densité « initiale » de l'Univers observable devait être très grande. Si l'on en croit les équations tentant de décrire l'état de la matièreétat de la matière et du champ de gravitation proche de la singularité cosmologique initiale en relativité générale classique, l'Univers était alors très turbulent avec des fluctuations chaotiques de la métrique décrivant l'état du « tissu » de l'espace-temps d'une part, et donc aussi de sa densité de matière et de rayonnement d'autre part, comme l'ont montré les travaux de Charles Misner (modèle connu sous le nom de Mixmaster univers) ainsi que ceux de Belinsky, Khalatnikov et Lifchitz.
Dans ces conditions infernales, si une fluctuation de densité devient telle qu'une massemasse donnée passe sous son rayon de Schwarzschildrayon de Schwarzschild (le rayon d'une sphère de masse donnée en dessous duquel même la lumièrelumière ne peut s'échapper du volumevolume délimité par cette sphère), un trou noir devait en résulter.
On ne sait pas très bien combien auraient pu se former ni de quelles masses, mais un large spectrespectre est possible, dépendant des modèles et de la physique utilisée pour décrire cette phase très primitive du cosmos observable (inflation, cosmologie quantique à boucles etc.). Ils pourraient théoriquement avoir des masses aussi faibles que la masse de PlanckPlanck (Mp=10-5 g), mais également bien au-delà, par exemple 105 masses solaires, et qui pourraient servir de germesgermes pour la formation des trous noirs supermassifs.
Le cas des minitrous noirs est particulièrement intéressant. Ils auraient des masses bien inférieures à celle d'une étoileétoile comme le SoleilSoleil et même que celle de la LuneLune. Ces minitrous noirs, mais aussi les autres trous noirs primordiaux, sont des objets théoriques dont Stephen Hawking s'est particulièrement occupé à partir de 1971 en se basant sur les travaux publiés en 1967 par Yakov Zeldovich et Igor Novikov, deux grands leaders de l'astrophysiqueastrophysique et de la cosmologiecosmologie relativiste russes.
Les plus légers de ces minitrous noirs seraient observables aujourd'hui en train de s'évaporer quantiquement par effet Hawking. On n'observe pas encore ce phénomène, ce qui veut dire soit que la radiation Hawking n'existe pas, ce qui semble très peu probable, soit que le cosmos primitif était en fait faiblement turbulent et qu'il a formé peu de minitrous noirs.
Toutefois, lorsque l'existence de la matière noirematière noire a commencé à être sérieusement considérée, en partie à la suite des travaux du prix Nobel de Physique James Peebles, elle a été tout naturellement expliquée en faisant intervenir ces trous noirs primordiaux. Toute la matière noire, ou seulement une portion, pouvait en être constituée.
Mais comment tester cette théorie ?
Comme on l'a déjà dit précédemment, on pouvait déjà tenter de détecter des minitrous noirs rendus particulièrement chauds et brillants, en train de s'évaporer par rayonnement Hawking, surtout dans la phase finale menant à leur disparition complète avec une bouffée de rayons gammarayons gamma. Mais on pouvait aussi tenter de mettre en évidence plus généralement des trous noirs primordiaux par des effets de lentille gravitationnellelentille gravitationnelle d'autant plus importants que la masse de l'objet compact s'interposant entre une étoile et un télescopetélescope sur Terre est élevée, et conduit à une augmentation transitoire de la brillance de l'étoile qui l'est tout autant.
Au cours des dernières décennies, ces types de campagnes d'observations ont permis de poser des contraintes de plus en plus fortes sur les populations de trous noirs primordiaux et leurs masses. D'autres observations, par exemple en analysant le fond de rayonnement cosmologique diffusdiffus (Cosmic Microwave Background), le CMBCMB, ont encore restreint les paramètres d'un espace de configurationespace de configuration représentant les populations de minitrous noirs selon une distribution de masses et en comparaison avec la portion de matière noire qu'ils pourraient constituer.
Le moins que l'on puisse dire, c'est que l'hypothèse que ces objets compacts constituent effectivement une part importante de la matière noire est devenue de plus en plus difficile à soutenir et l'on pourrait même dire qu'il est très probable que ce ne soit pas le cas. On peut s'en convaincre avec les schémas ci-dessous qui montrent qu'une étroite fenêtrefenêtre dans le spectre de masse, entre 10-15 et 10-10 fois la masse du Soleil, reste autorisée. Mais on a vraiment des difficultés à produire un spectre de masses issues du Big Bang qui ne soit pas « étalé ».
Toutefois, les perspectives sur tous ces sujets viennent d'être renouvelées avec un article publié dans Physical Review Letters et disponible en accès libre sur arXiv. Il provient d'une équipe essentiellement japonaise d'astrophysiciensastrophysiciens du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe et elle s'appuie sur les observations déjà faites ou possibles dans un avenir proche avec l'instrument Hyper Suprime-Cam (HSC) équipant le télescope Subaru.
Les chercheurs utilisent aussi un scénario inflationnaire dans lequel non pas un mais deux champs scalaires analogues à celui du bosonboson de Brout-Englert-Higgs ont été responsables d'une phase d'expansion très courte mais incroyablement rapide de l'espace-temps, sans doute lorsque le cosmos observable n'était âgé que d'environ 10-35 s, alors que le vide quantique possédait une densité d'énergieénergie V très importante.
Des bulles dans le vide quantique
À ce moment-là, l'intensité des champs scalaires est en train de changer de valeur. Elle était nulle à des périodes encore plus anciennes de l'Univers et elle se met alors à croître rapidement. Si l'on peut considérer ces champs encore aujourd'hui autour de nous comme une sorte de fluide, alors ces champs primitifs de valeur nulle sont l'équivalent d'un gazgaz dans lequel apparaissent des bulles de liquideliquide. L'un des champs est celui qui est le plus responsable d'une expansion ultrarapide du cosmos et, lorsqu'elle s'est fortement ralentie, celle-ci a laissé plusieurs bulles dont l'une contenant notre Univers actuel. Au delà de ce qui est observable pour nous, s'étendraient alors d'autres bulles avec peut-être des particules et des forces différentes, réalisant une forme possible de multivers.
Mais la nouveauté, c'est qu'au moins dans la bulle que nous occupons, de plus petites bulles contenant une densité d'énergie importante produite par le second champ scalaire se seraient en fait effondrées en donnant des minitrous noirs. Remarquablement, en s'effondrant, certaines d'entre elles auraient pu rebondir et entrer à nouveau en expansion, comme le ferait une petite bulle bourgeonnant à partir d'un ballonballon en expansion. Mais, du point de vue des observateurs extérieurs, c'est-à-dire nous, ces bébés univers en expansion nous apparaitraient encore comme des trous noirs.
Il est difficile de dire si ces bébés univers vont vraiment atteindre des dimensions macroscopiques mais ce n'est pas exclu. Ils pourraient être reliés par une sorte de trou de ver au nôtre mais pourraient aussi s'en séparer lorsque le tube d'espace-temps le reliant à son univers parent se pincerait au point qu'une déconnexion se produise. Ces idées ne sont pas complètement nouvelles, Stephen Hawking les avait explorées avec d'autres dans les années 1980 dans le cadre de ce que l'on appelait bien évidemment la théorie des « Baby Universes ».
Selon les chercheurs japonais, la théorie considérée permet justement de produire des minitrous noirs en quantités importantes dans la région encore autorisée, notamment par des observations passées avec le télescope Subaru qui avaient rendu encore plus improbable de pouvoir résoudre l'énigme de la matière noire avec des trous noirs primordiaux. Ces trous noirs auraient donc des masses inférieures à celles de la Lune mais supérieures à celles des montagnes sur Terre.
En bonus, le nouveau spectre de masse de trous noirs primordiaux permettrait de générer assez de germes sous forme de trous noirs de masses intermédiaires qui vont grandir pour expliquer l'existence des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs ainsi que les trous noirs binairesbinaires anormalement massifs détectés par LigoLigo.
On devrait en savoir plus dans les années à venir car le télescope LSST est un instrument de choix pour tenter de détecter des effets de microlentilles gravitationnelles comme dans le cas de Subaru qui continue à les chasser. Mais on ne pourra rien dire en ce qui concerne l'existence d'un multivers.
Les trous noirs sont-ils à l'origine de nouveaux Univers ?
Les équations de la gravitation quantique à bouclesgravitation quantique à boucles appliquées à la naissance de l'Univers semblent prédire un pré-Big Bang et une absence de singularité initiale. Appliqués à l'intérieur d'un trou noir, de nouveaux calculs conduisent à une conclusion similaire : les trous noirs seraient à l'origine d'autres Univers connectés au nôtre.
La physique et la cosmologie du XXe siècle ont été dominées par deux théories cadres importantes : la théorie de la relativité générale d'Einstein et la mécanique quantiquemécanique quantique. Malheureusement, ces deux théories décrivant l'une l'infiniment grand et l'autre l'infiniment petit entrent en contradiction lorsqu'on cherche à les appliquer simultanément dans deux situations où elles doivent intervenir : l'intérieur d'un trou noir et le début de l'Univers. Dans les deux cas on considère des régions de l'espace plus petites qu'une particule élémentaireparticule élémentaire et avec une courbure de l'espace-temps colossale.
Une idée proposée dès la fin des années 1950 suppose que, de la même manière que la mécanique quantique arrête l'effondrementeffondrement d'un électronélectron sur le noyau d'un atomeatome et produit des niveaux d'énergies discrets, un traitement quantique de la géométrie de l'espace-temps éviterait l'effondrement de la matière à l'intérieur d'un trou noir et effacerait la singularité prédite par les équations de la relativité générale classique. Comme l'expansion de l'Univers dans le cadre de la théorie du Big Bang ressemble beaucoup à l'effondrement d'une étoile mais avec le sens du temps inversé, on s'attend à ce que là aussi la singularité de l’espace-temps, caractérisée par une valeur infinie de la courbure de celui-ci et une densité infinie de matière, disparaisse.
Récemment, en utilisant une des théories possibles pour unifier les lois de la gravitation d'Einstein et la mécanique quantique, la gravitation quantique à boucles ou Loop Quantum Gravity (LQG), Martin Bojowald avait prolongé un peu plus loin les travaux de ses collègues appliquant la LQG au problème du Big Bang.
Ses travaux de cosmologie quantique montraient en effet qu'une forme simplifiée et résolvable des équations de la LQG éliminait effectivement la singularité initiale du Big Bang. On pouvait même parler d'un « avant le Big Bang » constitué d'un cycle sans fin d'expansions et de contractions.
Comme d'autres, Christian Böhmer et Kevin Vandersloot ont alors entrepris d'utiliser l'analogieanalogie, géométrie de l'espace-temps interne d'un trou noir et géométrie d'un Univers en expansion, pour appliquer les nouvelles techniques de la LQG afin de tenter de mieux comprendre ce qu'il advient de la matière et de l'espace-temps à l'intérieur d'un trou noir.
Un espace-temps qui ne serait pas continu
Là encore, l'idée principale utilisée est celle d'une modification de la géométrie de l'espace-temps qui de continue devient discrète. Comme Lee Smolin et Carlo Rovelli l'ont montré en 1995, il apparaît en LQG tout comme en mécanique quantique des opérateurs pour les variables physiques. Comme l'on traite de géométrie quantique on a aussitôt affaire à des opérateurs de surface et de volume limitant les valeurs que peuvent prendre ces quantités quand on les applique à un modèle cosmologique ou un trou noir.
Sur le schéma ci-dessus, on a représenté le spectre de ces opérateurs et on l'a comparé à celui d'un atome d'hydrogènehydrogène. Le terme spectre rappelle que les valeurs discrètes de l'énergie d'un électron dans un atome sont responsables du spectre lumineux en forme de raies que celui-ci absorbe ou émet. Par analogie, en mécanique quantique, on parle de spectre pour l'ensemble des valeurs que peut prendre une grandeur physique. Sur ce schéma on remarque que le spectre tend vers une distribution continue lorsque l'on considère de grandes valeurs de l'énergie ou du volume (Principe de correspondance de BohrPrincipe de correspondance de Bohr). Ainsi, au fur et à mesure que l'on se rapproche du monde macroscopique, la granularité quantique s'estompe et une description continue, approximative, devient de plus en plus précise.
Deux évolutions possibles pour la géométrie et la matière dans un trou noir ?
En transposant les approximations et les calculs numériquesnumériques de Martin Bojowald, les deux chercheurs ont alors trouvé que la géométrie interne d'un trou noir pouvait être modifiée de deux façons, également surprenantes.
Dans le premier cas, une sorte de trou de vers se forme connectant l'intérieur du trou noir avec un autre noir. Une solution analogue était déjà connue en relativité générale classique, elle peut même s'interpréter comme un pont entre deux Univers. Mais ici, la singularité séparant les deux trous noirs a été éliminée, sans même faire intervenir de l'énergie exotiqueexotique comme dans le cas de la solution trou de ver traversable découverte par Kip Thorne vers le milieu des années 1980. La nature quantique de l'espace-temps introduit automatiquement une force répulsive lissant la singularité classique qui disparaît.
Dans le deuxième cas, peut-être le plus fascinant, la métrique interne se change en celle d'un véritable Univers avec un volume pouvant être infini, quand bien même cela se traduit par un volume extérieur fini pour l'observateur extérieur au trou noir. La solution trouvée décrivant cet Univers ressemble beaucoup à ce qu'on appelle une solution de Nariai, avec une constante cosmologiqueconstante cosmologique et une charge électrique globale pour ce modèle cosmologique découvert il y a longtemps en relativité générale classique.
Ces résultats sont des avancées significatives, mais il ne s'agit encore que d'approximations de calculs de gravitation quantique. On peut penser qu'ils représentent un comportement générique et que les conclusions qu'on en tire ne seront pas notablement changées le jour où des calculs complets pourront être vraiment menés. Toutefois, il est intéressant de voir que la LQG retrouve des résultats similaires à ceux obtenus par Gabriele Veneziano, Maurizio Gasperini et Thibault DamourThibault Damour dans le cadre des approches de pré-Big-BangBig-Bang avec les supercordes. Là aussi, l'intérieur d'un trou noir pourrait donner naissance à un autre Univers.
Dans les deux cas, quand un état limite de haute densité de matière et de courbure de l'espace-temps est atteint, l'effondrement est stoppé par l'apparition d'une force répulsive et un autre Univers en expansion se crée à partir du nôtre par bourgeonnement, un peu comme une petite bulle qui gonflerait à la surface d'un ballon pour finir par créer deux Univers distincts, connectés par un petit raccord.
Comme l'a proposé Lee Smolin au cours des années 1990, les deux théories principales et concurrentes pour la gravitation quantique, la LQG et la théorie des supercordesthéorie des supercordes, pourraient bien être complémentaires.
