Cette image simulée par ordinateur montre un trou noir supermassif au cœur d'une galaxie. La région noire au centre représente l'horizon des événements du trou noir, où aucune lumière ne peut échapper à l'emprise gravitationnelle de l'objet massif. La puissante gravité du trou noir déforme l'espace autour de lui comme un miroir funhouse. La lumière des étoiles d'arrière-plan est étirée et maculée lorsque les étoiles frôlent le trou noir. Crédit :NASA, ESA, et D. Coe, J. Anderson, et R. van der Marel (STScI)
Les trous noirs primordiaux (PBH) sont des objets qui se sont formés quelques fractions de seconde seulement après le Big Bang, considéré par de nombreux chercheurs parmi les principaux candidats pour expliquer la nature de la matière noire, surtout suite à des observations directes d'ondes gravitationnelles par les détecteurs VIRGO et LIGO en 2016. « Nous avons testé un scénario dans lequel la matière noire est composée de trous noirs non stellaires, formé dans l'univers primordial, " dit Riccardo Murgia, auteur principal de l'étude récemment publiée dans Lettres d'examen physique . La recherche a été menée avec ses collègues Giulio Scelfo et Matteo Viel de SISSA—École internationale d'études avancées et INFN—Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (division de Trieste) et Alvise Raccanelli du CERN.
"Les trous noirs primordiaux restent pour l'instant des objets hypothétiques, mais ils sont envisagés dans certains modèles de l'univers primordial, " dit Raccanelli du CERN. " Initialement proposé par Stephen Hawking en 1971, ils sont revenus sur le devant de la scène ces dernières années en tant que candidats possibles pour expliquer la matière noire. On pense que la matière noire représente environ 80 pour cent de toute la matière présente dans l'univers, donc expliquer ne serait-ce qu'une petite partie de celui-ci serait une réalisation majeure. À la recherche de preuves de l'existence de PBH, ou excluant leur existence, nous fournit également des informations d'une importance considérable sur la physique de l'univers primordial."
Forêts cosmiques et toiles d'araignées
Dans ce travail, les scientifiques se sont concentrés sur l'abondance des PBH qui sont 50 fois plus massives que le soleil. En bref, les chercheurs ont tenté de mieux décrire plusieurs paramètres liés à leur présence (notamment masse et abondance) en analysant l'interaction de la lumière émise par des quasars extrêmement éloignés avec la toile cosmique, un réseau de filaments composé de gaz et de matière noire présent dans tout l'univers.
Au sein de ce tissage dense, les savants se sont concentrés sur la soi-disant forêt Lyman-alpha, les interactions des photons avec l'hydrogène des filaments cosmiques, qui présente des caractéristiques étroitement liées à la nature fondamentale de la matière noire.
Entre supercalculateurs et télescopes
Des simulations réalisées à l'aide du supercalculateur Ulysse de SISSA et de l'ICTP ont permis de reproduire les interactions entre les photons et l'hydrogène. Les modèles ont été comparés à des interactions réelles détectées par le télescope Keck à Hawaï. Les chercheurs ont ensuite pu retracer plusieurs propriétés des trous noirs primordiaux pour comprendre les effets de leur présence.
"Nous avons utilisé un ordinateur pour simuler la distribution de l'hydrogène neutre à des échelles sous-galactiques, qui se manifeste sous forme de raies d'absorption dans les spectres de sources lointaines, " dit Murgia. " En comparant les résultats de nos simulations avec les données observées, il est possible d'établir des limites sur la masse et l'abondance des trous noirs primordiaux et de déterminer si et dans quelle mesure ces candidats constituent de la matière noire."
Les résultats de l'étude semblent désavantager le cas où toute matière noire est composée d'un certain type de trou noir primordial (ceux ayant une masse supérieure à 50 fois celle du soleil) mais ils n'excluent pas totalement qu'ils puissent constituer une fraction de celui-ci.
"Nous avons développé une nouvelle façon d'explorer facilement et efficacement des scénarios alternatifs du modèle cosmologique standard, selon laquelle la matière noire serait plutôt composée de particules massives à interaction faible (WIMPs)."
Ces résultats, important pour la construction de nouveaux modèles théoriques et pour le développement de nouvelles hypothèses sur la nature de la matière noire, offrent des indications beaucoup plus précises pour tracer le chemin complexe de la compréhension de l'un des plus grands mystères du cosmos.
