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Cette illustration montre un trou noir avant et après sa transformation en trou blanc. | Par Robert Lee (créé avec Canva)
De nouvelles recherches suggèrent que les trous noirs formés lors du Big Bang pourraient avoir une durée de vie bien plus longue qu'on ne le pensait. En effet, ces minuscules trous noirs primordiaux pourraient survivre suffisamment longtemps pour évoluer en trous blancs énergétiques de la masse d'un poil de sourcil humain.
On pense que les trous noirs primordiaux se sont formés suite à des fluctuations de la matière incroyablement chaude et dense qui remplissait l'univers quelques instants après le Big Bang. Cela contraste avec les trous noirs stellaires ou « astrophysiques » que nous connaissons, résultant de l'effondrement d'étoiles massives comme… Les trous noirs primordiaux restent indétectés et demeurent donc hypothétiques.
De nombreux scientifiques pensent que l'absence de détection de trous noirs astrophysiques est due à leur évaporation, les rendant inexistants dans le cosmos vieux de 13,8 milliards d'années. Cette hypothèse est plausible car les trous noirs émettent un type de rayonnement thermique appelé « rayonnement de Hawking », proposé par Stephen Hawking dans les années 1970. Plus la masse d'un trou noir est faible, plus il est chaud, et donc plus il émet rapidement le rayonnement de Hawking et plus il s'évapore vite, un processus qui aboutirait à une explosion cataclysmique.
Les trous noirs stellaires, des centaines de fois plus massifs que le Soleil, sont suffisamment massifs et froids pour « fuiter » lentement de l'énergie et survivre à l'Univers plusieurs fois. En revanche, les trous noirs primordiaux, de masse bien plus faible, n'ont pas cette chance – du moins, c'est ce que l'on croyait. Daniel Paraiso, chercheur à l'Eberly College of Science, et ses collègues proposent une explication permettant aux trous noirs primordiaux d'une masse adéquate de survivre à ce processus et de subir une transformation remarquable.
« Nous avons découvert que les trous noirs ont une durée de vie bien plus longue qu'on ne le pensait », a déclaré Paraiso à Space.com. « Les phénomènes que nous avons découverts sont liés à des trous noirs qui pourraient s'être formés dans l'Univers primordial. Ces objets n'ont pas encore été observés, mais leur recherche est un sujet brûlant dans le cadre de la recherche de candidats à la matière noire. Les trous noirs commencent leur mort en émettant un rayonnement thermique de Hawking. Le mystère réside dans ce qui se passe lorsqu'ils atteignent la masse de Planck, qui est d'environ 20 microgrammes. ».
Un trou noir de la taille d'un œuf de puce.
La masse de Planck, d'environ 0,000000022 kilogramme, est l'unité fondamentale de masse en physique. Elle est considérée comme extrêmement importante car c'est à ce niveau que les lois régissant les particules subatomiques et la physique quantique, ainsi que celles de la gravité et de la relativité générale, deviennent tout aussi essentielles. Les physiciens la considèrent comme la limite supérieure de la masse de toute particule élémentaire ; toute particule dépassant cette limite s'effondre sur elle-même, créant un trou noir microscopique.
En langage courant, la masse de Planck est à peu près équivalente à un poil de sourcil humain ou à un œuf de puce, soit environ cinquante mille fois plus léger qu'un bonbon gélifié.
Paraiso a expliqué qu'après qu'un trou noir primordial se soit évaporé jusqu'à atteindre une masse de Planck, devenant ainsi ce que l'on appelle un trou noir de Planck, plusieurs destins sont possibles. Parmi ceux-ci figure la disparition de la frontière extérieure qui définit la nature du trou noir : la région qui piège la lumière ou le rayonnement électromagnétique, appelée horizon des événements. « Le mécanisme que nous explorons pour la disparition de ce trou noir de la taille de Planck est la disparition progressive de l'horizon qui piège le rayonnement », a déclaré Paraiso.
L'équipe a effectué des calculs mathématiques démontrant qu'un trou noir primordial, formé avec la masse initiale d'un astéroïde de taille moyenne (environ un milliard de tonnes), se désintègre en un milliard d'années environ et émet un rayonnement thermique de Hawking jusqu'à atteindre la masse de Planck. Cependant, un trou noir primordial né avec une masse d'une seule tonne exploserait instantanément, atteignant immédiatement la masse de Planck. C'est ce qui se produit ensuite qui distingue les résultats de cette étude des travaux précédents. « Nos résultats prédisent ici une nouveauté : les raisonnements antérieurs indiquaient que les 20 microgrammes restants étaient émis en au moins une seconde ; notre estimation montre que ces résidus de 20 microgrammes sont pratiquement stables », explique Paraiso. « Une fois que le trou noir atteint le seuil des 20 microgrammes, nous constatons qu'il commence à émettre un rayonnement purificateur [ainsi nommé car il est censé "purifier" l'état quantique de l'univers] en raison d'un comportement similaire à celui d'un trou blanc. «.
« Ainsi, même si nous ne connaissons pas encore les processus physiques à l'œuvre à proximité du trou blanc, nous trouvons un objet présentant exactement les mêmes propriétés à une distance significative. ».
Illustration d'un trou blanc, un « trou noir à temps inversé », repoussant sans cesse la matière. | Par Robert Lee (créé avec Canva)
Les trous blancs sont une autre entité hypothétique en physique, que l'on considère comme un « trou noir inversé dans le temps » qui, au lieu de piéger la matière et le rayonnement à l'intérieur de lui-même comme le font les trous noirs, repousse infiniment la matière et le rayonnement.
Toute prédiction ultérieure concernant le destin de ces trous noirs primordiaux, qui pourraient éventuellement évoluer en trous blancs, nécessitera une théorie combinant la relativité générale et la mécanique quantique, connue sous le nom de « gravité quantique », qui a obstinément échappé aux physiciens depuis le début du XXe siècle.
« Des hypothèses physiques simples concernant la physique loin d'un trou noir peuvent nous en apprendre beaucoup sur sa durée de vie et la transition vers une phase stable semblable à celle d'un trou blanc de 20 microgrammes », a déclaré Paraiso. « Le fait que nous puissions déduire ces propriétés en utilisant seulement des éléments minimaux de la gravité quantique est remarquable. ».
Une version préliminaire de l'étude de l'équipe, ayant fait l'objet d'une évaluation par les pairs, est disponible sur le site web du dépôt de recherche arXiv.