Une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physique décrit comment les scientifiques pourraient utiliser des expériences d'ondes gravitationnelles pour tester l'existence de trous noirs primordiaux, Les puits de gravité formés quelques instants après le Big Bang, qui, selon certains scientifiques, pourraient être une explication de la matière noire.

"Nous savons très bien que les trous noirs peuvent être formés par l'effondrement de grosses étoiles, ou comme nous l'avons vu récemment, la fusion de deux étoiles à neutrons, " a déclaré Savvas Koushiappas, professeur agrégé de physique à l'Université Brown et co-auteur de l'étude avec Avi Loeb de l'Université Harvard. "Mais il a été émis l'hypothèse qu'il pourrait y avoir des trous noirs qui se sont formés dans le tout premier univers avant que les étoiles n'existent. C'est ce que nous abordons avec ce travail."

L'idée est que peu de temps après le Big Bang, les fluctuations de la mécanique quantique ont conduit à la distribution de densité de la matière que nous observons aujourd'hui dans l'univers en expansion. Il a été suggéré que certaines de ces fluctuations de densité pourraient avoir été suffisamment importantes pour entraîner des trous noirs parsemés dans tout l'univers. Ces soi-disant trous noirs primordiaux ont été proposés pour la première fois au début des années 1970 par Stephen Hawking et ses collaborateurs, mais n'ont jamais été détectés - il n'est toujours pas clair s'ils existent.

La capacité de détecter les ondes gravitationnelles, comme l'a démontré récemment le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a le potentiel de jeter un nouvel éclairage sur la question. De telles expériences détectent des ondulations dans le tissu de l'espace-temps associées à des événements astronomiques géants comme la collision de deux trous noirs. LIGO a déjà détecté plusieurs fusions de trous noirs, et les futures expériences seront capables de détecter des événements qui se sont produits beaucoup plus loin dans le temps.

« L'idée est très simple, " a déclaré Koushiappas. "Avec les futures expériences d'ondes gravitationnelles, nous pourrons revenir à une époque antérieure à la formation des premières étoiles. Donc, si nous voyons des événements de fusion de trous noirs avant que les étoiles n'existent, alors nous saurons que ces trous noirs ne sont pas d'origine stellaire."

Les cosmologistes mesurent à quelle distance dans le temps un événement s'est produit en utilisant le décalage vers le rouge, l'étirement de la longueur d'onde de la lumière associée à l'expansion de l'univers. Les événements plus anciens sont associés à des décalages vers le rouge plus importants. Pour cette étude, Koushiappas et Loeb ont calculé le décalage vers le rouge auquel les fusions de trous noirs ne devraient plus être détectées en supposant uniquement une origine stellaire.

Ils montrent qu'à un redshift de 40, ce qui équivaut à environ 65 millions d'années après le Big Bang, les événements de fusion devraient être détectés à un rythme ne dépassant pas un par an, en supposant une origine stellaire. Aux redshifts supérieurs à 40, les événements devraient disparaître complètement.

"C'est vraiment le point mort, " dit Koushiappas. " En réalité, nous nous attendons à ce que les événements de fusion s'arrêtent bien avant ce point, mais un décalage vers le rouge d'environ 40 est la limite absolue ou le point de coupure."

Un décalage vers le rouge de 40 devrait être à la portée de plusieurs expériences d'ondes gravitationnelles proposées. Et s'ils détectent des événements de fusion au-delà, cela signifie l'une des deux choses, Koushiappas et Loeb disent :Soit les trous noirs primordiaux existent, ou l'univers primitif a évolué d'une manière très différente du modèle cosmologique standard. Soit ce serait des découvertes très importantes, disent les chercheurs.

Par exemple, les trous noirs primordiaux entrent dans une catégorie d'entités appelées MACHO, ou des objets Halo compacts massifs. Certains scientifiques ont proposé que la matière noire - la substance invisible qui est censée constituer la majeure partie de la masse de l'univers - pourrait être constituée de MACHO sous la forme de trous noirs primordiaux. Une détection de trous noirs primordiaux renforcerait cette idée, tandis qu'une non-détection en ferait douter.

La seule autre explication possible des fusions de trous noirs à des décalages vers le rouge supérieurs à 40 est que l'univers est "non gaussien". Dans le modèle cosmologique standard, les fluctuations de matière dans l'univers primitif sont décrites par une distribution de probabilité gaussienne. Une détection de fusion pourrait signifier que les fluctuations de matière s'écartent d'une distribution gaussienne.

"La preuve de la non-gaussianité nécessiterait une nouvelle physique pour expliquer l'origine de ces fluctuations, ce qui serait un gros problème, " dit Loeb.

La vitesse à laquelle les détections sont effectuées au-delà d'un décalage vers le rouge de 40 - si effectivement de telles détections sont effectuées - devrait indiquer s'il s'agit d'un signe de trous noirs primordiaux ou d'une preuve de non-gaussianité. Mais une non-détection constituerait un défi majeur pour ces idées.