Fig. 1. Les bébés univers issus de notre univers peu après le Big Bang nous apparaissent comme des trous noirs. (Crédit：Kavli IPMU)
L'Institut Kavli pour la Physique et les Mathématiques de l'Univers (Kavli IPMU) abrite de nombreux projets interdisciplinaires qui bénéficient de la synergie d'un large éventail d'expertises disponibles à l'institut. L'un de ces projets est l'étude des trous noirs qui auraient pu se former dans l'univers primitif, avant la naissance des étoiles et des galaxies.
De tels trous noirs primordiaux (PBH) pourraient rendre compte de tout ou partie de la matière noire, être responsable de certains des signaux d'ondes gravitationnelles observés, et ensemencer des trous noirs supermassifs trouvés au centre de notre Galaxie et d'autres galaxies. Ils pourraient également jouer un rôle dans la synthèse d'éléments lourds lorsqu'ils entrent en collision avec des étoiles à neutrons et les détruisent, libérant du matériel riche en neutrons. En particulier, il y a une possibilité excitante que la mystérieuse matière noire, qui représente la majeure partie de la matière dans l'univers, est composé de trous noirs primordiaux. Le prix Nobel de physique 2020 a été décerné à un théoricien, Roger Penrose, et deux astronomes, Reinhard Genzel et Andrea Ghez, pour leurs découvertes qui ont confirmé l'existence de trous noirs. Puisque les trous noirs existent dans la nature, ils font un candidat très attrayant pour la matière noire.
Les progrès récents de la théorie fondamentale, astrophysique, et des observations astronomiques à la recherche de PBH ont été faites par une équipe internationale de physiciens des particules, cosmologistes et astronomes, y compris les membres Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada et Volodymyr Takhistov.
Fig2. Hyper Suprime-Cam (HSC) est une gigantesque caméra numérique du télescope Subaru (Credit：HSC project / NAOJ)
Pour en savoir plus sur les trous noirs primordiaux, l'équipe de recherche a examiné l'univers primitif à la recherche d'indices. L'univers primitif était si dense que toute fluctuation de densité positive de plus de 50 % créerait un trou noir. Cependant, les perturbations cosmologiques qui ont semé les galaxies sont connues pour être beaucoup plus petites. Néanmoins, un certain nombre de processus dans l'univers primitif auraient pu créer les bonnes conditions pour la formation des trous noirs.
Une possibilité passionnante est que des trous noirs primordiaux puissent se former à partir des « bébés univers » créés lors de l'inflation, une période d'expansion rapide qui serait responsable de l'ensemencement des structures que nous observons aujourd'hui, comme les galaxies et les amas de galaxies. Pendant le gonflage, les univers de bébé peuvent se ramifier à partir de notre univers. Un petit univers de bébé (ou "fille") finirait par s'effondrer, mais la grande quantité d'énergie libérée dans le petit volume provoque la formation d'un trou noir.
Un destin encore plus particulier attend un univers de bébé plus grand. S'il est plus grand qu'une certaine taille critique, La théorie de la gravité d'Einstein permet au bébé univers d'exister dans un état qui semble différent à un observateur à l'intérieur et à l'extérieur. Un observateur interne le voit comme un univers en expansion, tandis qu'un observateur extérieur (comme nous) le voit comme un trou noir. Dans tous les cas, le grand et le petit bébé univers sont vus par nous comme des trous noirs primordiaux, qui cachent la structure sous-jacente de multiples univers derrière leurs « horizons d'événements ». L'horizon des événements est une limite au-dessous de laquelle tout, même léger, est piégé et ne peut pas s'échapper du trou noir.
Fig3. Le télescope Subaru à Hawaï. (Crédit：NAOJ)
Fig4. Une étoile de la galaxie d'Andromède devient temporairement plus lumineuse si un trou noir primordial passe devant l'étoile, focalisant sa lumière conformément à la théorie de la gravité. (Crédit : Collaboration Kavli IPMU/HSC)
Dans leur papier, l'équipe a décrit un nouveau scénario pour la formation de PBH et a montré que les trous noirs du scénario "multivers" peuvent être trouvés à l'aide de l'Hyper Suprime-Cam (HSC) du télescope Subaru de 8,2 m, un gigantesque appareil photo numérique - dont la gestion Kavli IPMU a joué un rôle crucial - près du 4, Sommet de 200 mètres du mont Mauna Kea à Hawaï. Leur travail est une extension passionnante de la recherche HSC de PBH que Masahiro Takada, un chercheur principal à l'IPMU de Kavli, et son équipe poursuivent. L'équipe HSC a récemment signalé des contraintes majeures sur l'existence de PBH à Niikura, Takada et. Al. ( Astronomie de la nature 3, 524-534 (2019))
Pourquoi le HSC était-il indispensable dans cette recherche ? Le HSC a une capacité unique d'imager l'ensemble de la galaxie d'Andromède toutes les quelques minutes. Si un trou noir traverse la ligne de mire de l'une des étoiles, la gravité du trou noir courbe les rayons lumineux et fait apparaître l'étoile plus brillante qu'auparavant pendant une courte période de temps. La durée de l'éclaircissement de l'étoile indique aux astronomes la masse du trou noir. Avec les observations HSC, on peut observer simultanément cent millions d'étoiles, jetant un large filet à la recherche de trous noirs primordiaux qui pourraient traverser l'une des lignes de mire.
Les premières observations HSC ont déjà signalé un événement candidat très intrigant cohérent avec un PBH du "multivers, " avec une masse de trou noir comparable à la masse de la Lune. Encouragé par ce premier signe, et guidé par la nouvelle compréhension théorique, l'équipe mène une nouvelle série d'observations pour étendre la recherche et fournir un test définitif pour savoir si les PBH du scénario multivers peuvent expliquer toute la matière noire.
