Trous Noirs Primordiaux : Les Vestiges Invisibles de l’Univers Jeune

L’Univers primordial

Dans l’Univers primordial (tout juste après le Big Bang), la densité d’énergie et de matière était énorme. Dans certains endroits, elles pouvaient « tomber sur elles-mêmes ». Ces fluctuations locales pouvaient concentrer encore davantage cette matière/énergie. Quand cette densité franchissait un seuil critique, la gravité l’emportait : la région s’effondrait immédiatement pour former un trou noir primordial.

Autrement dit, les trous noirs primordiaux (PBH - Primordial Black Holes) auraient pu se former dans les toutes premières fractions de seconde de l’Univers, lors de fluctuations de densité extrêmes. Contrairement aux trous noirs stellaires issus de l’effondrement d’étoiles massives, ceux-ci trouvent leur origine dans les conditions initiales du cosmos. Si une région atteignait une surdensité locale telle que son rayon de Schwarzschild \((R_s = 2GM/c^2)\) devenait comparable à son horizon causal, un trou noir se formait immédiatement.

Masses et échelles caractéristiques des trous noirs primordiaux

Les masses possibles des trous noirs primordiaux couvrent un spectre immense, allant de l’échelle subatomique \((10^{-5}\,\text{g})\) jusqu’à plusieurs milliers de masses solaires. La masse est déterminée par l’instant de formation : un trou noir formé \(10^{-23}\) secondes après le Big Bang aurait une masse comparable à celle d’une montagne, alors qu’un PBH formé une seconde après pourrait atteindre \(10^5 M_{\odot}\).

Trous noirs primordiaux : une nouvelle piste pour percer les mystères de la matière noire ?

On ne sait toujours pas ce qu’est la matière noire, mais on sait qu’elle représente environ 85 % de la matière de l’Univers. Les trous noirs primordiaux (PBH) sont une hypothèse pour expliquer une partie (ou la totalité) de cette matière noire, car ils seraient très nombreux, invisibles (sauf par leur gravité), et formés très tôt dans le cosmos. Ils pourraient être une forme de matière noire, mais seulement dans une plage de masses très étroite, car les observations excluent la plupart des autres scénarios.

Les recherches modernes (microlentilles gravitationnelles, rayonnement gamma issu de l’évaporation de Hawking, anisotropies du fond diffus cosmologique) permettent de restreindre la plage de masses des PBH susceptibles de constituer une fraction significative de la matière noire. Les PBH de petites masses (\(<10^{15}\,\text{g}\)) devraient s’être entièrement évaporés, tandis que ceux de masse intermédiaire sont fortement contraints par l’absence d’événements de lentilles gravitationnelles.

Signatures indirectes des trous noirs primordiaux

• Microlentilles gravitationnelles : Les microlentilles gravitationnelles servent à détecter si de nombreux objets compacts (comme des PBH) passent devant des étoiles mais comme on n’en observe pas assez, cela limite la contribution possible des PBH de certaines masses à la matière noire.
• Rayonnement gamma : Le rayonnement gamma attendu de l’évaporation de petits PBH via le mécanisme de Hawking or on ne l’a pas détecté, cela exclut que les PBH de faible masse forment la matière noire.
• Effets sur le fond diffus cosmologique (CMB) : Les anisotropies du fond diffus cosmologique trop de PBH massifs perturberaient l’évolution de l’Univers primitif, ce qu’on ne voit pas non plus.

Les PBH sont considérés comme hypothétiques et peu consensuels, et leur recherche repose sur des signatures indirectes.

État actuel des connaissances

À ce jour, les trous noirs primordiaux (PBH) restent principalement des objets théoriques. Bien que leur existence soit possible d’un point de vue physique et cosmologique, il n’existe pas encore de preuve directe, et leur rôle dans la matière noire est très débattu. Les modèles prédisent diverses masses et abondances, mais la communauté scientifique ne s’accorde pas sur leur importance réelle.

Contraintes observationnelles

Sources : Sasaki et al., 2016 ; Niikura et al., 2019.