A bizarre type of black hole could solve three cosmic mysteries in one

L’espace-temps est divisé. Chaque seconde qui passe, l’univers s’étend de plus en plus vite. Ce qui propulse cette accélération spectaculaire reste cependant une énigme – une énigme que les scientifiques connaissent et recherchent depuis des décennies. Pourtant, nous ne sommes pas plus près de le comprendre. Nous appelons cela l’énergie noire, mais nous ne savons pratiquement rien de ce que c’est ni d’où elle vient. Néanmoins, il représente environ 68 pour cent de l’univers.

Il serait cependant raisonnable de supposer que ce mystère n’a rien à voir avec les trous noirs : des géants si puissants sur le plan gravitationnel qu’une fois qu’un objet est attiré au-delà d’un certain point, il ne peut jamais s’échapper. Ils attirent la matière vers eux, alors comment pourraient-ils piloter l’expansion de l’univers ? C’est pourtant exactement ce que suggère un petit groupe d’astrophysiciens.

L’histoire est la suivante : toute matière qui tombe dans les trous noirs passe par un processus qui la transforme en une sorte de rayonnement. Celui-ci exerce à son tour une force sur l’espace qui l’entoure. Un tel effet serait trop petit pour être remarqué dans l’environnement immédiat, mais en additionnant tous les trous noirs de l’univers, il commence à se former jusqu’à quelque chose qui pourrait tout éloigner inexorablement de tout le reste.

Cette idée folle a commencé en marge et est apparue à de nombreuses reprises au fil des décennies. Mais de plus en plus de cosmologistes s’y intéressent ces dernières années – car il s’avère qu’il offre une explication potentielle non pas à un, ni à deux, mais à trois mystères de l’univers. “Ce n’est plus marginal”, déclare Kevin Croker, cosmologue à l’Arizona State University. “C’est très controversé, mais ce n’est pas marginal.”

Les trous noirs se présentent comme une source potentielle d’énergie noire précisément parce qu’ils sont si déroutants. “La plupart des structures de l’univers, comme les galaxies et les amas, ont très peu d’effet sur l’énergie noire. Mais il y a toujours eu une exception possible”, explique Niayesh Afshordi, cosmologiste à l’Université de Waterloo au Canada. « Des trous noirs [after all] sont bien plus mystérieux que tout le reste.

Singularité du trou noir

Tout se résume au point au centre d’un trou noir où la gravité est si forte que la matière est comprimée jusqu’à une densité infinie. Connue comme une singularité astrophysique, elle a toujours été considérée comme une sorte d’espace réservé à une physique que nous ne comprenons pas encore. “Personne ne croit à une singularité”, déclare Gregory Tarlé, cosmologue et astrophysicien à l’Université du Michigan et figure marquante de l’étude de ces trous noirs cosmologiquement couplés, ainsi appelés parce qu’ils seraient couplés au comportement à grande échelle du cosmos. En réalité, dit-il, quelque chose empêche la formation d’une singularité. “Ce qui va l’arrêter, c’est si la matière qui provoque cet effondrement se transforme d’une manière ou d’une autre en énergie noire.”

Personne ne sait exactement comment cela se passerait. Mais Tarlé le compare aux tout premiers instants de l’univers, lorsque tout n’était qu’une soupe chaude de radiations. Dans les instants qui ont suivi le big bang, le cosmos s’est refroidi et une grande partie de ce rayonnement s’est fusionnée en matière. À l’intérieur des trous noirs cosmologiquement couplés, ce processus se produirait en sens inverse. Cela n’affecterait cependant pas leur attraction gravitationnelle, qui est basée sur la densité d’énergie et non sur la matière spécifiquement.

“Si vous essayez de comprendre comment une seule particule de poussière peut se transformer en rayonnement, cela n’est pas connu”, explique Massimiliano Rinaldi, physicien et cosmologue à l’université de Trente en Italie. “Mais nous supposons que cela peut arriver – cette conversion n’est pas aussi folle qu’elle en a l’air.”

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Pendant longtemps, le consensus a été que les trous noirs ne pouvaient réellement affecter que leur environnement immédiat. “L’idée était en quelque sorte” ce qui se passe à Vegas reste à Vegas “, mais ce n’est pas vrai”, explique Croker, l’un des pionniers du concept de trou noir cosmologiquement couplé. “Les gens aiment lancer un argument de causalité : pourquoi ces choses-là pourraient-elles affecter des choses qui sont si loin ? Mais ce n’est pas seulement l’une d’entre elles, il y en a des tonnes, et elles sont partout. C’est cet effet global.”

Si vous jetiez un tas de matière dans un seul trou noir cosmologiquement couplé, cela pourrait ne pas affecter le cosmos dans son ensemble, dit-il. D’un autre côté, si vous disposiez d’une flotte de camions-bennes cosmiques déversant de la matière dans ces trous noirs partout dans l’univers, vous pourriez accélérer son expansion. C’est un peu comme un ballon rempli de nombreux ballons plus petits : gonflez les plus petits et le plus grand sera obligé de se dilater également. Si ces trous noirs sont réels, alors, en tant que population, ils doivent être inextricablement liés à la structure globale du cosmos.

Preuve de trous noirs couplés cosmologiquement

Et tout n’est pas non plus théorique. La première preuve que les trous noirs pourraient être couplés cosmologiquement est arrivée en 2023 avec la révélation de Croker, Tarlé et leurs collègues que les petits ballons semblent en fait se dilater : les trous noirs à travers l’univers semblent croître à des vitesses étonnamment élevées. Même ce que Croker appelle les trous noirs supermassifs « extrêmement ennuyeux », qui devraient à peine croître, suivent le rythme de l’expansion de l’univers. “C’était la première fois que nous voyions quelque chose d’important qui disait qu’une fois les trous noirs formés, ils créent cette énergie sombre, puis la [dark] l’énergie augmente à mesure que l’univers s’étend », explique Tarlé.

La plus grande objection à cette hypothèse est peut-être que nous n’avons aucune idée à quoi ressembleraient les trous noirs couplés cosmologiquement ni comment ils se comporteraient exactement. « Le problème est que nous n’avons pas de solution mathématiquement précise décrivant ces objets – nous avons une moyenne », explique Rinaldi. Sans cette solution, il est impossible de dire, par exemple, si le comportement des trous noirs couplés cosmologiquement lors de leur fusion correspondrait aux observations que nous avons de ce processus. « La tâche est très, très difficile parce que les équations sont horribles, mais il pourrait y avoir une avancée décisive à un moment donné – il faut juste du temps », dit-il.

Au cours des quelques années qui ont suivi le développement de l’idée, le temps et les recherches intensives ont fait en sorte qu’elle soit passée du statut de rejet par de nombreux cosmologistes sérieux à celui de quelque chose qui est au moins considéré comme plausible. L’une des raisons à cela est que cela semble correspondre à certains résultats récents et déroutants de l’instrument spectroscopique de l’énergie sombre (DESI) en Arizona.

Les résultats du DESI

DESI mesure l’emplacement de millions de galaxies à travers l’univers, établissant ainsi une carte précise de l’évolution des distances entre elles au cours de l’histoire cosmique. Ces distances nous permettent de calculer la vitesse à laquelle l’univers s’est étendu à différentes époques. Et au cours des deux dernières années, les premiers résultats ont été publiés. Ils suggèrent que l’énergie noire pourrait s’affaiblir avec le temps, ce qui a fait l’effet d’une bombe : le modèle standard de la cosmologie exige que l’énergie noire soit constante. « En voyant les données pour la première fois, nous sommes restés bouche bée », explique Tarlé. “Il était très clair que l’énergie noire évoluait avec le temps.”

Mais si les effets de l’énergie noire proviennent d’un couplage cosmologique avec les trous noirs, les résultats du DESI ont du sens. La formation des trous noirs suit la même tendance que la formation des étoiles, qui a culminé il y a environ 10 milliards d’années et n’a cessé de ralentir depuis. Non seulement cela expliquerait la diminution de la quantité d’énergie noire évoquée par DESI, mais cela aiderait également à expliquer un autre mystère cosmique majeur.

La tension de Hubble est liée à un écart entre les deux principales méthodes de calcul de l’expansion de l’univers, l’une basée sur des mesures d’objets relativement proches, et l’autre basée sur l’utilisation du modèle standard de cosmologie pour extrapoler à partir des mesures de lumière restante du big bang. L’ajout de trous noirs cosmologiquement couplés à notre modèle de cosmologie ne résoudra peut-être pas entièrement ce problème, mais cela atténue considérablement la tension en fournissant une explication de la raison pour laquelle les deux méthodes donnent des résultats contradictoires : les époques qu’elles sondent dans l’histoire cosmique auraient eu des taux d’expansion différents.

Il existe plusieurs autres explications proposées pour la tension de Hubble et l’affaiblissement apparent de l’énergie noire, mais elles ont tendance à s’appuyer sur des phénomènes hypothétiques exotiques au-delà de notre compréhension standard de la physique. “[The idea of cosmologically coupled black holes] repose sur la relativité générale et rien d’autre – et c’est un plus », déclare Rinaldi. Peut-être de façon surprenante, cela en fait une proposition relativement conservatrice dans le contexte de ces deux problèmes.

Aujourd’hui, Tarlé, Croker et un groupe de collègues ont ajouté un autre élément de preuve à ce qu’ils appellent un « tabouret à trois pieds » d’observations qui correspondent à leurs prédictions. Cette dernière étape est un peu différente des deux autres, dans la mesure où elle constitue un mystère en physique des particules. Le comportement de l’univers permet aux cosmologistes de créer un budget pour la masse qu’il contient, qui peut ensuite être utilisé pour calculer la masse de chaque type de particule.

C’est bien beau, sauf lorsqu’il s’agit de neutrinos, de minuscules particules – mais surtout pas sans masse – qui interagissent si rarement avec d’autres matières qu’elles sont parfois appelées « particules fantômes ». Compte tenu des nouvelles données DESI, les neutrinos devraient avoir une masse négative pour que les calculs budgétaires fonctionnent. Comme il ne doit pas être négatif, il doit être nul.

Mais si la matière se transforme en énergie sombre à l’intérieur des trous noirs, cela affecte l’équilibre du cosmos. Les trous noirs couplés cosmologiquement gagneraient de la place dans le budget de masse en convertissant la matière ordinaire en énergie noire. Il s’avère qu’ils créeraient juste assez de marge de manœuvre pour que les neutrinos aient non seulement une masse positive, mais aussi une masse qui corresponde aux mesures expérimentales.

Ces trois éléments de preuve sont-ils suffisants pour faire pleinement ressortir l’hypothèse de trous noirs cosmologiquement couplés ? “À l’heure actuelle, le tabouret de preuve que nous proposons a trois pieds. Nous pensons pouvoir nous asseoir dessus”, déclare Croker. “D’autres personnes dans la communauté peuvent penser que c’est dangereusement bizarre, mais j’espère qu’à un moment donné, d’autres personnes se lanceront également dans cette voie.”

Cela a déjà commencé à se produire. Les recherches antérieures sur les trous noirs couplés cosmologiquement ont été réalisées par de petits groupes de recherche, chacun comptant seulement une poignée de collaborateurs, mais le dernier article, sur les masses des neutrinos, compte 50 co-auteurs.

Comme c’est toujours le cas avec ce type de proposition controversée, ce dont les chercheurs ont réellement besoin, ce sont de meilleurs modèles – dans ce cas, des solutions aux « horribles » équations – et davantage de données. Ce dernier, au moins, est à venir. DESI continue de rassembler davantage d’observations de galaxies et plusieurs autres grandes études de l’univers sont en cours. “C’est une histoire policière : il y a un suspect évident qui agit de manière très suspecte et il y a un crime évident”, explique Afshordi. Avec trois indices suggérant que les trous noirs pourraient être à l’origine de l’expansion accélérée de l’univers, de plus en plus de détectives se penchent sur l’affaire. “Mais bien sûr, le plus difficile est d’établir ce lien.”