Deux trous noirs formés juste après le big bang
Nous avons peut-être déjà vu des trous noirs de l’aube de l’univers, appelés trous noirs primordiaux. L’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) aux États-Unis et l’observatoire Virgo en Italie ont détecté 47 paires de trous noirs se heurtant l’un à l’autre, et une étude statistique suggère que près d’un tiers d’entre eux pourraient être primordiaux.
Des trous noirs primordiaux
Les trous noirs peuvent se former selon plusieurs différents mécanismes. Le principal est l’effondrement d’une énorme étoile sur elle-même, formant ce que l’on appelle un trou noir astrophysique. Certains trous noirs sont trop grands pour s’être formés directement de cette manière, ils proviennent donc probablement de la fusion de trous noirs plus petits. Les trous noirs primordiaux se sont peut-être formés au début de l’univers à partir de nuages denses de plasma, mais nous n’avons encore aucune preuve directe de leur existence.
« Lorsque LIGO observe un trou noir, il n’est pas accompagné d’une étiquette nous indiquant comment il s’est formé. Il est simplement accompagné d’une masse et d’un spin », explique Salvatore Vitale du Massachusetts Institute of Technology. Salvatore Vitale et ses collègues ont effectué une analyse statistique des données de LIGO et de Virgo à partir des données de trois des principaux modèles de formation des trous noirs astrophysiques, ainsi que d’un modèle de trous noirs primordiaux.
Leur analyse a conclu que les observatoires ont recueilli tellement de données sur les ondes gravitationnelles que tous les modèles de formation sont probablement corrects. Cela inclut l’idée que certaines de ces données proviennent de trous noirs primordiaux.
« Généralement, dans ce genre d’analyse, on est puni à cause du rasoir d’Occam pour avoir rendu les choses plus complexes et ajouté plus de modèles », explique Nelson Christensen, de l’Observatoire de Nice, en France. « Le fait qu’ils aient ajouté des trous noirs primordiaux et que cela ait donné la probabilité la plus élevée est donc intéressant. »
Des modèles théoriques qui ne prouvent pas ces résultats
Cette analyse a suggéré qu’environ 27 % des trous noirs de LIGO et de Virgo pourraient être primordiaux. « Lorsque j’ai commencé cette étude, je m’attendais à ce que nous ne trouvions aucun niveau significatif de soutien pour les trous noirs primordiaux, et au lieu de cela, j’ai été surpris », déclare Vitale.
Cependant, comme ce résultat repose sur des modèles théoriques, il ne prouve pas l’existence des trous noirs primordiaux. Ces modèles sont les meilleurs que nous ayons maintenant, mais leur exactitude n’est pas garantie.
Ce résultat n’est pas définitif : il ne s’agit pas d’une « preuve irréfutable », mais plutôt d’un changement dans nos attentes à la lumière des nouvelles données », explique Francesca Vidotto, de l’université du Pays basque, en Espagne. « Mais un tel changement est important ». Il pourrait conduire les astrophysiciens et les cosmologistes à construire des modèles plus sophistiqués pour la formation des trous noirs, tant pour les trous noirs astrophysiques que primordiaux, dit-elle.
Si certains de ces trous noirs sont primordiaux, ils pourraient constituer une importante fenêtre sur les débuts de notre univers et pourraient même faire partie de la mystérieuse matière noire qui maintient les galaxies ensemble. Mais quoi qu’il en soit, ce résultat est un indice que notre compréhension des trous noirs est incomplète. « Même s’il ne s’agit que de trous noirs astrophysiques, il y a clairement quelque chose qui intervient dans leur formation, au-delà de ce que l’on a supposé jusqu’à présent », déclare Jane MacGibbon, de l’université de Floride du Nord.
Concevoir de meilleurs modèles et avoir plus de données
La prochaine étape consiste à élaborer de meilleurs modèles et à obtenir davantage de données de LIGO et de Virgo. Les observatoires, ainsi que le détecteur d’ondes gravitationnelles Kamioka au Japon, devraient être remis en service en 2022. « Nous recevrons potentiellement un nouveau trou noir binaire chaque jour pendant 18 mois », déclare Christensen. « Nous avons besoin de plus d’indices, et nous en aurons plus ».
Cette recherche a été pré-publiée dans arXiv.
Source : New Scientist
Crédit photo : Pixabay