TROUS NOIRS

Détection des trous noirs primordiaux

On l’a vu, la théorie prédit l’existence de trous noirs dits « primordiaux » car ils auraient été engendrés lors du big bang, bien avant l’apparition des premières étoiles et des premières galaxies. De fait, ce type de trous noirs peut se former sur une plage temporelle de quelques secondes, leur masse étant directement proportionnelle à leur date de création. Un trou noir primordial créé au temps de Planck (10^-43 s après le big bang) aurait la masse minimale de 10^–5 g, alors qu'un trou noir formé une seconde après ferait 100 000 M_S.

Mais les trous noirs primordiaux existent-ils vraiment ? Diverses contraintes observationnelles limitent sérieusement leur nombre sans exclure complètement leur existence. Les plus massifs d’entre eux devraient accréter de la matière et rayonner dans les domaines X et radio. Il est possible que certaines sources de type HLX, mentionnées précédemment à propos des trous noirs intermédiaires, soient liées à des trous noirs primordiaux, mais ces sources sont extrêmement rares. Les trous noirs primordiaux dont la masse dépasserait environ 1 000 M_S induiraient des dislocations de systèmes d’étoiles doubles, d'amas globulaires ou de bulbes galactiques (parties centrales des galaxies spirales), phénomènes non encore observés. Les trous noirs primordiaux de masses comprises entre 10¹⁷ g (100 milliards de tonnes, soit la masse d’un gros astéroïde) et 10³⁵ g (environ 100 M_S) produiraient quant à eux des effets de microlentille gravitationnelle (phénomène induit par la présence d’un objet céleste de masse stellaire situé entre l’observateur et une source lumineuse lointaine, provoquant sur cette dernière des distorsions d’image). L’absence d’effet probant apporte là encore de fortes contraintes sur leur nombre.

En bas de l'échelle des masses (cas des microtrous noirs), c'est l'effet du rayonnement de Hawking qui offre une contrainte expérimentale encore plus forte. La durée de vie d'un trou noir avant son évaporation complète dépend de sa masse : plus le trou noir est petit, plus il s'évapore vite. Les trous noirs primordiaux de masse inférieure à 4 × 10¹⁴ g se sont évaporés en un temps plus court que l’âge de l’Univers et ne peuvent donc plus subsister aujourd’hui. Resteraient donc les trous noirs primordiaux de masse comprise entre 4 × 10¹⁴ g et 10¹⁷ g, qui seraient en train de s'évaporer dans notre Galaxie. Rappelons que la taille de ces trous noirs hypothétiques serait microscopique, inférieure à celle d’un atome.

Mais plus ils sont petits, plus leur rayonnement de Hawking est énergétique, les derniers stades de leur évaporation pouvant produire toutes sortes de particules et d'antiparticules, notamment des électrons et des positrons. On sait calculer le spectre en énergie des particules et des photons issus de l'évaporation de Hawking. Pour des trous noirs de masse inférieure à 10¹⁷ g, la fin de l'évaporation doit se solder par un rayonnement très énergétique de type gamma, ainsi que par des électrons et positrons de quelques dizaines de mégaélectronvolts (MeV, unité d’énergie équivalente à une température de 11 milliards de degrés). Les observations des photons ultra-énergétiques formant ce qu'on appelle le fond gamma extragalactique sont sujettes à de grandes incertitudes, mais en tout état de cause elles réduisent la densité de microtrous noirs primordiaux à un niveau extrêmement bas : moins de 100 par année-lumière cube. La probabilité que l’un d’entre eux fasse irruption dans notre système solaire est donc infinitésimale. Quant au fond d’électrons et de positrons éventuellement produit, des mesures effectuées en 2018 par un petit détecteur de particules équipant la sonde Voyager-1 (lancée en 1977) montrent là encore que, si les microtrous noirs peuvent certes exister dans notre Galaxie,[...]

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Écrit par

Jean-Pierre LUMINET : directeur de recherche émérite au CNRS, laboratoire d'astrophysique, Marseille

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Puits gravitationnel créé par un trou noir - crédits : J.-P. Luminet — Puits gravitationnel créé par un trou noir

J.-P. Luminet

Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma - crédits : J.-P. Luminet — Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma

J.-P. Luminet

Galaxie NGC 1277 - crédits : NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA) — Galaxie NGC 1277

NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA)

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