Les trous noirs primordiaux créés dans les premiers instants après le Big Bang - de minuscules trous plus petits qu'une tête d'épingle et des trous supermassifs couvrant des milliards de kilomètres - pourraient représenter toute la matière noire de l'univers.

C'est l'implication d'un nouveau modèle de l'univers primitif créé par des astrophysiciens de Yale, de l'Université de Miami et de l'Agence spatiale européenne (ESA). Si elle s'avérait vraie avec les données du télescope spatial James Webb qui sera bientôt lancé, la découverte transformerait la compréhension des scientifiques des origines et de la nature de la matière noire et des trous noirs.

On pense que la matière noire - qui n'a jamais été observée directement - constitue la majorité de la matière dans l'univers et agit comme l'échafaudage invisible sur lequel les galaxies se forment et se développent. Les physiciens ont passé des années à tester une variété de candidats de matière noire, y compris des particules hypothétiques telles que des neutrinos stériles, des particules massives à interaction faible (WIMPS) et des axions.

Des trous noirs, en revanche, ont été observés. Un trou noir est un point dans l'espace où la matière est si étroitement compactée qu'elle crée une gravité intense. Même la lumière ne peut résister à son attrait. Les trous noirs se trouvent au centre de la plupart des galaxies.

La nouvelle étude, acceptée pour publication dans The Astrophysical Journal , renvoie à une théorie proposée pour la première fois dans les années 1970 par les physiciens Stephen Hawking et Bernard Carr. À l'époque, Hawking et Carr ont fait valoir que dans la première fraction de seconde après le Big Bang, de minuscules fluctuations de la densité de l'univers pouvaient avoir créé un paysage ondulant avec des régions "grumeleuses" qui avaient une masse supplémentaire. Ces zones grumeleuses s'effondreraient en trous noirs.

Bien que la théorie n'ait pas gagné du terrain au sein de la communauté scientifique au sens large, la nouvelle étude suggère que, si elle est légèrement modifiée, elle pourrait avoir un pouvoir explicatif après tout.

Si la plupart des trous noirs primordiaux étaient "nés" à une taille d'environ 1,4 fois la masse du soleil terrestre, ils pourraient potentiellement représenter toute la matière noire, a déclaré Priyamvada Natarajan, professeur d'astronomie et de physique à Yale, théoricien de l'article.

Natarajan et ses collègues affirment que leur nouveau modèle montre que les premières étoiles et galaxies se seraient formées autour de trous noirs dans l'univers primitif. De plus, dit-elle, les trous noirs primordiaux auraient eu la capacité de se transformer en trous noirs supermassifs en se régalant de gaz et d'étoiles à proximité, ou en fusionnant avec d'autres trous noirs.

"Les trous noirs primordiaux, s'ils existent, pourraient bien être les graines à partir desquelles tous les trous noirs supermassifs se forment, y compris celui au centre de la Voie lactée", a déclaré Natarajan.

"Ce que je trouve personnellement super excitant à propos de cette idée, c'est la façon dont elle unifie avec élégance les deux problèmes vraiment difficiles sur lesquels je travaille - celui de sonder la nature de la matière noire et la formation et la croissance des trous noirs - et les résout d'un seul coup, " ajouta-t-elle.

La mission du télescope James Webb sera de trouver les premières galaxies qui se sont formées dans l'univers primitif et de voir les étoiles former des systèmes planétaires.

Le premier auteur de la nouvelle étude est Nico Cappelluti, ancien boursier postdoctoral du Yale Center for Astronomy &Astrophysics Prize, qui est maintenant professeur adjoint de physique à l'Université de Miami. Günther Hasinger, directeur scientifique de l'ESA, est le deuxième auteur de l'étude.

"Notre étude montre que sans introduire de nouvelles particules ou une nouvelle physique, nous pouvons résoudre les mystères de la cosmologie moderne, de la nature de la matière noire elle-même à l'origine des trous noirs supermassifs", a déclaré Cappelluti.

Les trous noirs primordiaux peuvent également résoudre une autre énigme cosmologique :l'excès de rayonnement infrarouge, synchronisé avec le rayonnement X, qui a été détecté à partir de sources lointaines et sombres dispersées dans l'univers. Natarajan et ses collègues ont déclaré que les trous noirs primordiaux en croissance présenteraient "exactement" la même signature de rayonnement.

Mieux encore, l'existence de trous noirs primordiaux peut être prouvée - ou infirmée - dans un avenir proche, grâce au télescope spatial James Webb et à la mission de l'antenne spatiale de l'interféromètre laser (LISA) de l'ESA annoncée pour les années 2030.

Si la matière noire était composée de trous noirs primordiaux, davantage d'étoiles et de galaxies se seraient formées autour d'eux dans l'univers primitif, précisément à l'époque que le télescope James Webb pourra voir. LISA, quant à elle, pourra capter les signaux d'ondes gravitationnelles des premières fusions de trous noirs primordiaux.

"Si les premières étoiles et galaxies se sont déjà formées au soi-disant" âge sombre ", Webb devrait pouvoir en voir la preuve", a déclaré Hasinger.

Natarajan a ajouté :"Il était irrésistible d'explorer cette idée en profondeur, sachant qu'elle avait le potentiel d'être validée assez rapidement."