Les trous noirs se forment soit lors de l’effondrement d’une étoile massive, soit lors de la fusion d’objets lourds. Cependant, les scientifiques soupçonnent que des trous noirs «primordiaux» plus petits, dont certains avec des masses similaires à celle de la Terre, pourraient s’être formés dans les premiers moments chaotiques du début de l’Univers. Lorsque nous pensons aux trous noirs, nous avons tendance à imaginer d’énormes monstres cosmiques, tels que des trous noirs de masse stellaire dont la masse est des dizaines à des centaines de fois supérieure à celle du Soleil. On peut même imaginer des trous noirs supermassifs, avec des millions (voire des milliards) de fois la masse du Soleil, assis au cœur des galaxies et dominant leur environnement. Une équipe de scientifiques a prédit que le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA pourrait détecter une classe de trous noirs «légers» qui ont jusqu’à présent échappé à la détection.
Cependant, les scientifiques suggèrent que l’Univers pourrait également être peuplé de trous noirs beaucoup moins massifs et relativement légers, dont la masse entoure la Terre. Ces trous noirs pourraient potentiellement avoir une masse égale à celle d’un gros astéroïde. Les scientifiques suggèrent également que de tels trous noirs pourraient exister depuis la nuit des temps, il y a environ 13,8 milliards d’années. Appelés à juste titre «trous noirs primordiaux», ces trous noirs sont restés purement théoriques, mais Roman, dont le lancement est prévu fin 2026, pourrait changer la donne.
“Découvrir une population de trous noirs primordiaux de masse terrestre serait une avancée incroyable à la fois pour l’astronomie et la physique des particules, puisque ces objets ne peuvent être formés par aucun processus physique connu”, a déclaré William DeRocco, chercheur postdoctoral à l’Université de Californie à Santa. Claus Kruse, qui a dirigé les recherches sur la façon dont Roman a pu les découvrir. Un article décrivant les résultats a été publié dans la revue Physical Review D. “Si nous les trouvons, cela bouleversera le domaine de la physique théorique.”
Stephen Hawking a suggéré que les trous noirs pourraient rétrécir lentement à mesure que les radiations s’échappent. La lente fuite de ce que l’on appelle maintenant le rayonnement Hawking finira par provoquer simplement l’évaporation du trou noir. Cette infographie montre la durée de vie estimée et l’horizon des événements (le point après lequel les objets qui tombent ne peuvent pas échapper à l’emprise gravitationnelle d’un trou noir) ainsi que les diamètres de divers trous noirs de faible masse. Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Les plus petits trous noirs dont l’existence a jamais été confirmée sont des trous noirs de masse stellaire, créés lorsque des étoiles massives manquent du combustible nécessaire à la fusion nucléaire dans leur noyau. Une fois cette fusion stoppée, ces étoiles s’effondrent sous leur propre gravité. En règle générale, la masse minimale requise pour qu’une étoile laisse derrière elle un trou noir de masse stellaire est huit fois supérieure à la masse du Soleil. Si elle est plus légère, l’étoile finira sa vie en tant qu’étoile à neutrons ou naine blanche fumante.
Cependant, les conditions de l’Univers au début de son existence étaient très différentes de celles de l’ère moderne. Lorsque l’espace était chaud, dense et turbulent, des amas de matière beaucoup plus petits pouvaient s’effondrer et donner naissance à des trous noirs.
Mais une masse minimale est requise: au moins huit fois la masse de notre Soleil. Les étoiles plus légères deviendront soit des naines blanches, soit des étoiles à neutrons.
Le concept de cet artiste est une approche fantaisiste pour représenter les petits trous noirs primordiaux. En réalité, il serait difficile pour de si petits trous noirs de former les disques d’accrétion qui les rendent visibles ici. Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Cependant, les conditions qui régnaient au tout début de l’Univers auraient pu permettre la formation de trous noirs beaucoup plus légers. L’un d’eux, pesant autant que la Terre, aurait un horizon des événements – le point de non-retour en cas de chute d’objets – d’environ la largeur d’une pièce de 10 cents américains.
Les scientifiques pensent qu’au début de l’Univers, il a traversé une phase courte mais intense appelée inflation, au cours de laquelle l’espace s’est étendu plus rapidement que la vitesse de la lumière. Dans ces conditions particulières, des régions plus denses que leur environnement pourraient s’effondrer, formant des trous noirs primordiaux de faible masse.
Même si la théorie prédit que les plus petits d’entre eux devraient s’évaporer avant que l’univers n’atteigne son âge actuel, ceux dont la masse est proche de celle de la Terre pourraient survivre.
La découverte de ces minuscules objets aura un impact énorme sur la physique et l’astronomie.
“Cela affecterait tout, de la formation des galaxies à la teneur en matière noire de l’univers en passant par l’histoire cosmique”, a déclaré Kailash Sahu, astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore, qui n’a pas participé à l’étude. “Confirmer leur identité sera un travail difficile, et les astronomes auront besoin de nombreuses preuves concrètes, mais cela en vaudra la peine.”
Le diagramme montre un trou noir primordial provoquant une lentille gravitationnelle, révélant son existence au télescope spatial romain. Robert Lee
La relativité générale prédit que tous les objets ayant une masse font plier le tissu même de l’espace et du temps en une seule entité quadridimensionnelle appelée «espace-temps». Lorsque la lumière provenant d’une source d’arrière-plan traverse la chaîne, sa trajectoire est courbée. Plus la lumière se rapproche de l’objet lentille, plus sa trajectoire est courbée. Cela signifie que la lumière provenant d’un même objet peut arriver au télescope à des moments différents. C’est ce qu’on appelle la lentille gravitationnelle.
Lorsque l’objet de la lentille est incroyablement massif, comme une galaxie, la source d’arrière-plan peut se déplacer vers une position apparente ou même apparaître à plusieurs endroits dans la même image. Si l’objet lentille est plus petit en masse, comme le trou noir primordial, l’effet lentille est plus petit, mais il peut provoquer une augmentation de la luminosité des sources de fond qui peuvent être détectées. Il s’agit d’un effet appelé microlentille.
Les microlentilles sont désormais utilisées à bon escient pour détecter les planètes voyous ou les mondes qui dérivent à travers la Voie lactée sans étoile mère. Cela a révélé une grande population de parias de la taille de la Terre, soit plus que ce que prédisent théoriquement les modèles. Les scientifiques prédisent qu’avec ce modèle, Roman multipliera par dix les détections de masses terrestres indésirables.
L’abondance de ces objets a conduit à spéculer sur le fait que certains de ces objets de masse terrestre pourraient en réalité être des trous noirs primordiaux. “Il est impossible de faire la distinction entre les trous noirs de masse terrestre et les planètes voyou au cas par cas”, a déclaré DeRocco. «Le roman sera un moyen extrêmement puissant pour distinguer statistiquement ces deux objets.»
L’illustration montre le télescope spatial romain Nancy Grace entouré de trous noirs primordiaux. Robert Lee/NASA
La microlentille est un effet d’observation qui se produit parce que la présence d’une masse déforme le tissu de l’espace-temps, un peu comme l’empreinte laissée par une boule de bowling posée sur un trampoline. Chaque fois qu’un objet intermédiaire semble dériver près d’une étoile d’arrière-plan de notre point de vue, la lumière de l’étoile doit traverser l’espace-temps courbe autour de l’objet. Si l’alignement est particulièrement proche, l’objet peut agir comme une lentille naturelle, focalisant et amplifiant la lumière de l’étoile d’arrière-plan.
Des équipes distinctes d’astronomes utilisant les données de MOA (Microlens Observations in Astrophysics), une collaboration qui effectue des observations de microlentille à l’aide de l’observatoire de l’Université Mount John en Nouvelle-Zélande, et d’OGLE (Optical-Gravitational Lensing Experiment), ont découvert une population étonnamment importante d’objets isolés. de masse égale à la masse de la Terre.
Les théories de la formation et de l’évolution des planètes prédisent certaines masses et abondances de planètes voyou – des mondes errant dans la galaxie, sans lien avec une étoile. Les observations MOA et OGLE suggèrent qu’il y a plus d’objets légers dérivant à travers la galaxie que ne le prédisent les modèles.
“Il est impossible de faire la distinction entre les trous noirs de masse terrestre et les planètes voyou au cas par cas”, a déclaré DeRocco. Mais les scientifiques s’attendent à ce que Roman trouve 10 fois plus d’objets dans cette plage de masse que les télescopes au sol. “Roman sera extrêmement puissant pour distinguer statistiquement ces deux objets.”
DeRocco a dirigé les efforts visant à déterminer combien de planètes voyou devraient se trouver dans cette plage de masse et combien de trous noirs primordiaux Roman pouvait discerner parmi elles.
La découverte de trous noirs primordiaux fournirait de nouvelles informations sur le tout début de l’Univers et fournirait des preuves solides qu’une première période d’inflation s’est réellement produite. Cela pourrait également expliquer un petit pourcentage de la mystérieuse matière noire qui, selon les scientifiques, constitue l’essentiel de la masse de notre univers, mais qu’ils ont jusqu’à présent été incapables d’identifier.
“C’est un exemple passionnant de ce que les scientifiques pourraient faire avec les données que Roman va déjà acquérir lors de sa recherche de planètes”, a déclaré Sahu. «Et les résultats sont intéressants, que les scientifiques trouvent ou non des preuves de l’existence de trous noirs de masse terrestre. Quoi qu’il en soit, cela renforcera notre compréhension de l’univers.»
Le télescope spatial romain Nancy Grace est exploité au Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland, avec les contributions du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de Caltech/IPAC en Californie du Sud, du Space Telescope Science Institute de Baltimore et d’une équipe scientifique composée de scientifiques provenant de diverses institutions de recherche. Les principaux partenaires industriels comprennent BAE Systems, Inc à Boulder, Colorado; L3Harris Technologies à Rochester, New York ; et Teledyne Scientific & Imaging à Thousand Oaks, en Californie.