De minuscules trous noirs qui se sont formés quelques secondes après la naissance de l’univers pourraient exister plus longtemps que prévu, ce qui conduit les chercheurs à penser que les trous noirs primordiaux pourraient être la source de la matière noire, la substance la plus mystérieuse de l’univers.
La matière noire est actuellement l’un des problèmes les plus urgents de la physique. En effet, bien que constituant environ 85% de la matière spatiale, elle reste quasiment invisible à l’œil nu car elle n’interagit pas avec la lumière. L’étude a été publiée en 2024 sur Space.com.
Comme les particules qui composent les atomes des objets «du quotidien» que nous observons, comme les étoiles, les planètes et notre propre corps, interagissent clairement avec la lumière, la recherche de particules de matière noire au-delà du Modèle standard de la physique des particules s’est intensifiée. De nombreux scientifiques pensent que la réponse pourrait encore se trouver dans le Modèle standard, si l’on considère des objets cosmiques que nous considérons généralement comme incroyablement massifs, voire monstrueux: les trous noirs.
Valentin Toss et Ana Alexander de l’Institut Max Planck suggèrent que de minuscules trous noirs formés il y a plus de 13,8 milliards d’années, juste après le Big Bang, pas plus gros qu’un proton, pourraient former des amas qui pourraient être des sources potentielles de matière noire, sans qu’il soit nécessaire de découvrir une nouvelle physique.
Illustration d’un nuage de matière noire. Pourrait-il s’agir d’un amas de trous noirs? Rayons X: NASA/CXC/CfA/M.Markevich et al.; Optique: NASA/STScI; Magellan/Université d’Arizona/D.Clow et al.; Carte de lentilles: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/Université d’Arizona/D.Clow et al.
Le récent changement dans la réflexion sur la façon dont les trous noirs «s’évaporent» a non seulement conduit à une réévaluation de la possibilité de trous noirs primordiaux comme sources de matière noire, mais aussi, puisque les recherches de particules de matière noire restent largement infructueuses, davantage de chercheurs pourraient commencer à prendre la théorie du trou noir primordial comme source de matière noire plus au sérieux.
«Comme leur nom l’indique, les « trous noirs primordiaux » sont un type de trou noir qui se forme très tôt dans l’univers», a expliqué Toss à Space.com. «En gros, dans la première fraction de seconde de l’existence de l’univers.»
Il a expliqué que toutes les structures que nous observons dans l’univers, des superamas de galaxies aux galaxies elles-mêmes, se sont formées à partir de petites poches de densité accrue dans l’espace, présentes dans l’univers primitif. Si l’univers primitif a connu des fluctuations de densité bien plus importantes que celles à l’origine de ces structures, et que ces fluctuations se sont effondrées avant la formation des galaxies, ces poches de densité accrue auraient pu servir de base à la formation des trous noirs primordiaux.
Anatomie d’un trou noir. Quelle que soit leur taille, tous les trous noirs possèdent un horizon des événements. ESO
Toss a ajouté que, selon le moment et l’ampleur de l’effondrement, ces trous noirs primordiaux pourraient avoir des masses très différentes. Les trous noirs primordiaux que Toss et Alexander considéraient comme des candidats potentiels à la matière noire auraient des masses allant de quelques tonnes à un millier de tonnes, soit moins que la masse d’une planète et plus cohérente avec celle d’un petit astéroïde.
Considérant que les plus petits trous noirs découverts par les scientifiques à ce jour, connus sous le nom de trous noirs de masse stellaire, ont des masses équivalentes à 3 à 50 masses solaires, ce qui équivaut à 2,2 fois 1027 (22 suivis de 26 zéros) tonnes, ces trous noirs primordiaux sont incroyablement petits.
Comme leurs homologues plus grands – les trous noirs formés soit par l’effondrement d’étoiles massives, soit par la fusion de trous noirs relativement plus petits – les trous noirs primordiaux auraient une limite extérieure bloquant la lumière appelée horizon des événements, a expliqué Alexander. Le diamètre de cet horizon est déterminé par la masse du trou noir, ce qui signifie que l’horizon des événements serait incroyablement petit dans ce cas. «Plus petit que le rayon d’un proton», a précisé Alexander.
Auparavant, les petits trous noirs primordiaux étaient exclus comme candidats à la matière noire, car on pensait que tous les trous noirs «laissaient échapper» un type particulier de rayonnement thermique, proposé pour la première fois par Stephen Hawking en 1974 et plus tard appelé «rayonnement de Hawking».
Diagramme illustrant l’histoire de l’expansion de l’Univers. Les trous noirs primordiaux pourraient s’être formés suite à des fluctuations de densité avant la formation des premières étoiles. NASA/Équipe scientifique WMAP/Image de Dana Berry
Plus un trou noir est petit, plus il devrait émettre un rayonnement Hawking rapidement, et donc s’évaporer rapidement. Cela signifie que si des trous noirs primordiaux ont existé, les plus petits exemples ne devraient pas exister aujourd’hui, même si la matière noire existe évidemment.
«Les trous noirs primordiaux avec les masses qu’Ana et moi observons actuellement étaient auparavant essentiellement exclus parce qu’on supposait qu’ils s’étaient complètement évaporés dans l’univers à ce stade», a déclaré Toss.
Cependant, des travaux récents de Georgi Dvali, physicien théoricien de l’Université de Munich qui a collaboré avec Thoss et Alexander, ont montré que le processus d’évaporation s’arrête à un certain point, ce qui signifie que les trous noirs primordiaux avec les masses envisagées par les scientifiques pourraient atteindre un état semi-stable.
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«Pour réduire sa masse grâce au rayonnement Hawking, un trou noir doit «réécrire» son information, ou autre chose. Ce processus de réécriture prend du temps», explique Alexander. «On parle de «charge mémorielle», car cette mémoire doit alors être transférée vers un autre support, ce qui ralentit le processus global d’évaporation. Il s’agit donc d’une sorte de stabilisation.»
Ce «mécanisme d’échappement» signifie que les trous noirs primordiaux redeviennent des candidats potentiels à la matière noire.
Cependant, l’existence possible de trous noirs primordiaux dans l’univers actuel ne signifie pas qu’ils doivent être considérés comme la source de la matière noire. Cependant, d’autres raisons permettent de relier ces minuscules trous noirs hypothétiques à la matière mystérieuse qui compose l’univers.
Le lien le plus évident est peut-être l’absence d’interaction entre la matière noire et la lumière. La matière noire n’émet ni ne réfléchit la lumière, et l’horizon des événements qui entoure tous les trous noirs est le point où la vitesse de libération nécessaire pour le traverser dépasse la vitesse de la lumière. Cela signifie que les trous noirs primordiaux « captureraient » toute la lumière incidente, ce qui entraînerait l’absence apparente d’interaction.
Illustration montrant un amas de minuscules trous noirs primordiaux qui pourraient être à l’origine de la matière noire. Robert Lee
«Si les trous noirs primordiaux sont suffisamment légers, à une masse proche de celle d’une planète, ils se comportent comme des particules de matière noire dans tous les sens qui nous intéressent», a déclaré Toss. «Dans les modèles standards, la matière noire est “sans collision”, de sorte que les particules de matière noire n’interagissent pas suffisamment entre elles pour affecter l’univers.»
Il a ajouté que si les trous noirs primordiaux étaient plus légers que les masses planétaires, alors, même à l’échelle cosmique, ils seraient si petits que les collisions seraient extrêmement rares. Ces trous noirs primordiaux se regrouperaient probablement, créant les effets gravitationnels que nous attribuons aujourd’hui à la matière noire, comme l’attraction gravitationnelle exercée sur les galaxies en rotation rapide pour les empêcher de s’éloigner.
Mais si les trous noirs primordiaux doivent se regrouper pour expliquer les effets de la matière noire, qu’est-ce qui les empêche de se rapprocher et de fusionner pour former des trous noirs plus grands? Un groupe de minuscules trous noirs ne finirait-il pas par se transformer en un seul trou noir géant? Thoss a déclaré que cette question avait été explorée, et la réponse est simple: «Non.»
«Même si l’on prend en compte le regroupement, les échelles de temps des fusions sont si grandes que, sur toute l’histoire de l’Univers, elles n’ont pu fusionner qu’en de véritables trous noirs massifs», a-t-il poursuivi.
Toss a ajouté que la beauté de l’utilisation des trous noirs primordiaux comme explication de la matière noire est que, contrairement à l’invocation d’une particule hypothétique comme l’axion pour expliquer le mystère, les trous noirs primordiaux ne nécessitent pas une extension du modèle standard de la physique des particules – la meilleure explication que nous ayons pour l’univers à l’échelle subatomique.
Cependant, il sera extrêmement difficile de confirmer que les trous noirs primordiaux sont de la matière noire, s’ils parviennent à expliquer le phénomène. Là encore, leur capacité à piéger la lumière les rend pratiquement invisibles. De plus, à des tailles aussi petites, ils n’exercent pas la même force gravitationnelle que leurs cousins stellaires et supermassifs.
Même ainsi, si un groupe de trous noirs primordiaux est découvert, il n’y aura aucun moyen réel de faire la distinction entre de nombreux petits trous noirs et un seul grand trou noir.
Malgré cette difficulté, Toss et Alexander entendent poursuivre l’étude des trous noirs primordiaux, du moins en théorie. Si les particules candidates à la matière noire continuent d’échapper à la détection, la solution réside peut-être dans l’implication de davantage de physiciens dans l’analyse de la frontière métaphorique entre physique des particules et cosmologie.
«Je ne dirais pas que les trous noirs primordiaux ont jamais été écartés comme candidats à la matière noire; même s’ils ont été ignorés pendant un temps», a déclaré Alexander. «Maintenant que nous ne disposons d’aucune donnée sur les particules de matière noire, je pense qu’il devient de plus en plus pertinent d’envisager cette option.»
La théorie suivante: la matière noire, la «matière» la plus mystérieuse de l’univers, pourrait être une sorte d’intermédiaire cosmique, permettant aux trous noirs supermassifs de franchir le dernier obstacle avant d’entrer en collision et de fusionner en un seul.
Les astronomes savent depuis longtemps que lorsque des galaxies entrent en collision pour former des galaxies plus grandes et déformées, les trous noirs supermassifs en leur centre sont également attirés les uns vers les autres. Finalement, ces trous noirs fusionnent à leur tour, produisant un trou noir supermassif encore plus monstrueux et un cri strident à travers l’espace-temps appelé ondes gravitationnelles. Les découvertes d’Alonso-Alvarez et de son équipe sont présentées dans un article publié le 9 juillet 2025 dans la revue Physical Review Letters.
Bien que la détection des ondes gravitationnelles nous ait fourni des preuves de ce processus de collision et ait été véritablement fondamentale pour notre compréhension de la façon dont les trous noirs supermassifs acquièrent des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de soleils, il reste un problème non résolu.
Le schéma illustre les trois principales étapes de la fusion des trous noirs, l’étape 2 étant la phase théorique expliquant le problème final du parsec. Robert Lee. Space.com
Les astrophysiciens disposent de bons modèles des dernières étapes de la fusion de trous noirs supermassifs, mais les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement comment ces géants cosmiques parviennent à parcourir les 3,3 dernières années-lumière (aussi appelées «parsec») qui les séparent pour initier le processus de fusion. Ce problème a été surnommé le «problème du dernier parsec».
La matière noire pourrait aider les trous noirs supermassifs à démarrer le processus de fusion, mais cette théorie ne fonctionne que si les particules de matière noire interagissent les unes avec les autres.
Le processus de fusion de trous noirs supermassifs est complexe, car il repose sur la rencontre des trous noirs, la formation d’un système binaire et la diminution progressive de la distance orbitale qui les sépare. Lorsque la distance entre les deux trous noirs était d’environ un parsec, les scientifiques s’inquiétaient car, selon les calculs existants, la fusion semblait stagner.
Il s’agit d’une découverte fondée sur la modélisation mathématique et sur l’interaction de la matière noire avec elle-même. Plus précisément, pour assurer la médiation entre les trous noirs, les particules de matière noire doivent se disperser lors d’une collision.
Diagramme circulaire montrant la quantité de matière noire supérieure à la matière «normale» dans l’univers, qui constitue tout ce que nous voyons. Robert Lee. Space.com
Pour cette raison, suivre cette théorie pourrait non seulement résoudre le problème final du parsec, mais aussi peut-être enfin comprendre de quoi est composée la matière noire, résolvant ainsi l’un des mystères les plus fondamentaux de la science.
La matière noire peut non seulement être constituée de particules qui ne correspondent pas à nos meilleurs modèles du monde subatomique, mais peut également être beaucoup plus massive que les particules de matière «ordinaire».
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Les particules de matière noire sont «plus nombreuses» que les particules normales dans un rapport compris entre 5 pour 1 et 6 pour 1. Cela signifie que tout ce que vous voyez autour de vous ne représente que 15% de la masse du cosmos.
Nous savons que la matière noire existe car, bien qu’elle n’interagisse pas avec la lumière ou la matière normale, elle interagit avec la gravité. Lorsqu’elle interagit, les effets qu’elle provoque peuvent affecter le comportement de la matière normale et de la lumière. Par exemple, des chercheurs ont découvert que sans l’influence gravitationnelle de la matière noire, la gravité exercée par la masse des étoiles, du gaz, des planètes et des lunes des galaxies ne suffirait pas à les empêcher de se disperser lorsqu’ils se déplacent rapidement.
Alonso-Alvarez a expliqué que lorsque les galaxies fusionnent, leurs trous noirs supermassifs sont très éloignés les uns des autres. Ils finissent par entreprendre leur voyage vers le centre des galaxies en fusion, qui deviendra le site de leur propre fusion et le cœur du conglomérat galactique nouvellement formé.
Ce voyage est facilité par la perte d’énergie des trous noirs et se déroule en trois étapes distinctes.
Dans la première étape, les trous noirs se précipitent près de nombreuses étoiles et interagissent avec elles gravitationnellement. Du fait de cette interaction, les trous noirs changent de vitesse et ralentissent. Cette perte de vitesse permet à la concentration de masse au centre de la fusion d’exercer un effet gravitationnel sur les trous noirs, les faisant se rapprocher assez lentement.
Cette perte d’énergie continue de jouer un rôle majeur après que les trous noirs supermassifs ont parcouru les 3,3 dernières années-lumière et formé un système binaire, troisième étape de ce processus. À ce stade, les vides orbitent les uns autour des autres, générant des ondes gravitationnelles. En se propageant hors du système binaire, ces ondes emportent du moment cinétique, perdant ainsi de l’énergie cinétique rotationnelle.
Cette perte d’énergie très efficace rapproche les deux trous noirs, et leur fusion devient irréversible. Plus leurs orbites se resserrent, plus ils émettent rapidement des ondes gravitationnelles. Finalement, à mesure que les trous noirs supermassifs se rapprochent, leur influence gravitationnelle prend le dessus et ils entrent en collision.
La deuxième étape est l’étape entre le transfert d’énergie vers les étoiles et la perte d’énergie par les ondes gravitationnelles.
L’interaction avec les étoiles n’est réellement efficace que lorsque les trous noirs sont très éloignés les uns des autres, c’est-à-dire à des distances supérieures à un parsec, et le rayonnement gravitationnel n’apparaît que lorsqu’ils sont plus proches que des fractions de parsec.
Alonso-Alvarez et ses collègues suggèrent que lorsque les trous noirs supermassifs atteignent des distances de 3,3 années-lumière et ne peuvent plus transférer d’énergie aux étoiles, la matière noire prend le dessus et commence à extraire de l’énergie par un processus appelé «friction dynamique».
Si les trous noirs traversent cette dense «matière noire», ils créent une friction similaire à celle d’un objet se déplaçant dans un fluide visqueux. Si l’on modélise la matière noire comme un fluide, les interactions entre les particules de matière noire lui confèrent une viscosité élevée. La viscosité élevée d’un fluide normal indique la difficulté pour un objet de le traverser. Dans ce cas, cette friction est créée uniquement par la gravité. Il n’interagit jamais avec le trou noir par une autre force que la gravité.
Sans la diffusion de la matière noire, ce mécanisme ne fonctionnerait tout simplement pas. En effet, l’énergie perdue par les trous noirs par frottement et la matière noire contribue à accroître la vitesse des particules de matière noire. Sans viscosité, les particules de matière noire seraient diffusées loin de cette région finie en parsecs.
Cela signifierait qu’après un court instant, il ne resterait plus de matière noire dans cette région centrale pour créer la friction nécessaire. Cependant, si la matière noire interagit avec elle-même, cette énergie serait redistribuée entre les particules de la région centrale de la galaxie, empêchant ainsi la matière noire de se dissiper.
Les interactions de la matière noire avec les trous noirs supermassifs pourraient également expliquer les calculs de halos de matière noire autour des galaxies, dont la forme ne peut être entièrement expliquée par les modèles de «matière noire froide». Ces modèles supposent que cette mystérieuse matière se déplace lentement (d’où son nom «froide») et n’interagit pas avec elle-même. Si la théorie des médiateurs de la matière noire d’Alonso-Alvarez et de ses collègues est correcte, elle pourrait nécessiter de s’écarter de la théorie de la matière noire froide.
De plus, une particule porteuse de force inconnue est nécessaire pour assurer les interactions entre les particules de matière noire, et cette étude a fourni à l’équipe des indices sur la nature de cette particule. Une particule porteuse de force, ou boson, agit comme médiateur et favorise l’interaction d’autres particules. Par exemple, la force électromagnétique utilise des photons, ou particules lumineuses, comme porteurs de force, tandis que la gravité utiliserait un boson appelé gluon.
Deux trous noirs supermassifs devant le réseau de matière noire qui les attire. Robert Lee. Space.com
«Nous sommes partis de l’idée très naïve que les auto-interactions de la matière noire contribueraient simplement à résoudre ce dernier problème de parsec, mais nous ne pensions pas pouvoir prédire quelles auto-interactions seraient privilégiées», a expliqué Alonso-Alvarez. «En travaillant et en affinant nos calculs, nous avons découvert qu’un modèle très spécifique était en réalité privilégié, dans lequel le porteur de force avait une masse de l’ordre de 1% de celle de la particule de matière noire, et qu’aucune des autres options que nous avons essayées ne fonctionnait.»
«Les calculs que nous avons effectués pour cette étude étaient purement analytiques. Nous travaillons actuellement à la création de simulations pour mieux comprendre ce mécanisme», a déclaré Alonso-Alvarez.
Le physicien a ajouté que les preuves observationnelles de cette théorie pourraient provenir d’ensembles d’étoiles à neutrons en rotation de haute précision, appelés réseaux de pulsars, que les scientifiques utilisent comme horloges cosmiques de précision. L’étude du bruit de fond spatial, appelé fond d’ondes gravitationnelles, produit par la fusion de trous noirs supermassifs tout au long de l’histoire de l’univers, sera cruciale.
«On peut observer l’influence de la matière noire et de la friction sur ce signal et prédire comment la présence de matière noire modifie le signal», a ajouté Alonso-Alvarez. «Je pense que le plus intéressant est de pouvoir comparer simultanément ces résultats avec les preuves d’auto-interactions de la matière noire à des échelles galactiques de plusieurs milliers de parsecs.»
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