Des chercheurs pensent avoir identifié une piste qui pourrait enfin nous aider à résoudre l’une des énigmes les plus tenaces de toute l’astrophysique : dans une étude récente, ils expliquent qu’il est de plus en plus probable que les trous noirs soient à l’origine de l’énergie sombre, elle-même soupçonnée de jouer un rôle déterminant dans l’expansion de l’univers.
En 1929, l’illustre astronome Edwin Hubble — celui-là même qui a donné son nom au célèbre télescope — fait une découverte qui va révolutionner la cosmologie : il est le premier à démontrer que notre Univers est en expansion. Depuis, de nombreux chercheurs tentent tant bien que mal de calculer la vitesse de cette expansion, aussi appelée observation de Hubble-Lemaître… et c’est là que les problèmes commencent.
L’expansion de l’Univers, un mystère tenace
Initialement, la physique newtonienne traditionnelle suggérait que l’expansion devrait ralentir avec le temps, freinée par les interactions gravitationnelles entre des objets extrêmement massifs comme les galaxies. Mais la donne a changé dans les années 1990 avec l’arrivée de nouvelles méthodes qui ont mis en lumière une situation beaucoup plus nuancée. Nous savons désormais que l’expansion de l’Univers s’accélère, au lieu de ralentir comme on le pensait auparavant. Le problème est que les différentes méthodes de mesure ne parviennent pas à s’accorder sur la valeur de cette accélération. Ils produisent tous des résultats qui semblent cohérents individuellement, mais qui sont fondamentalement incohérents. Nous nous trouvons face à une incohérence majeure que nous appelons aujourd’hui la Tension Hubble.
Pour mettre les choses en perspective, plusieurs éminents astrophysiciens ont abordé le problème par l’autre bout. Au lieu de calculer la constante de Hubble à partir d’observations, ils ont cherché à identifier la force motrice de l’expansion de l’univers. Pour cela, ils ont introduit un concept complètement nouveau : énergie sombre. Ce terme désigne une forme d’énergie encore méconnue, mais omniprésente dans le cosmos. Selon certains modèles, elle représenterait jusqu’à 70 % de l’énergie totale de l’Univers. Et surtout, elle joue un rôle déterminant dans son expansion. Son influence serait telle qu’elle contrebalancerait l’influence de la gravité, obligeant les différents corps célestes à s’éloigner de plus en plus rapidement.
Plus le temps passe, plus cette idée devient convaincante. En fait, elle fonctionne si bien que ses trois principaux architectes, Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt, ont reçu le prix Nobel pour cette contribution révolutionnaire à la théorie. Mais il reste une lacune absolument énorme dans ce modèle : la nature exacte de l’énergie noire reste totalement inconnue. Personne ne sait exactement de quoi il est fait ni d’où il vient. Il reste à ce jour l’un des plus grands mystères de toute l’astrophysique et même de la science en général.
Une extension du couplage cosmologique »
Mais récemment, d’autres astronomes ont commencé à se rapprocher d’une explication convaincante ; selon un récent document de recherche, il est de plus en plus probable que cette énergie sombre provienne directement des trous noirs.
Ce travail part d’une hypothèse centrale selon laquelle ces objets pourraient être répercussions directes des mécanismes qui ont permis à l’Univers de décoller avec le Big Bang.
Ce thème a émergé de façon spectaculaire l’année dernière, avec la publication d’une étude très importante sur le sujet. Ses auteurs se sont intéressés aux trous noirs supermassifs qui résident au centre de galaxies dites « mortes », c’est-à-dire qu’ils ont complètement épuisé les matières premières censées alimenter la croissance de leurs étoiles et de leur trou noir. En théorie, ces dernières ne devraient donc plus pouvoir croître ; Pourtant, les auteurs ont observé qu’ils continuent à gagner de la masse.
Pour expliquer cette apparente incohérence, ils ont introduit un nouveau concept : un » couplage cosmologique « , à travers lequel les propriétés des objets seraient directement affectées par l’expansion de l’univers (voir notre article).
Il s’agit d’une notion assez révolutionnaire, car elle s’oppose directement à l’idée selon laquelle des paramètres comme la masse sont des propriétés intrinsèques des objets ; à la place, ils le seraient intimement lié à la manière dont l’Univers évolue à l’échelle mondiale. Les chercheurs à l’origine de cette nouvelle étude y ont vu une opportunité d’extrapolation pour faire avancer la quête de l’énergie noire.
» Si vous vous posez la question : « Où dans l’univers voyons-nous une gravité aussi forte qu’elle l’était au début de son histoire ? la réponse se trouve au centre des trous noirs », déclare Gregory Tarlé, professeur de physique à l’université du Michigan et co-auteur de cette nouvelle étude. « Il est possible que ce qui s’est produit lors de l’inflation initiale se produise à l’envers ; la matière d’une étoile massive reviendrait à l’énergie sombre lors de l’effondrement gravitationnel, comme un petit Big Bang joué à l’envers. »
Des données conformes à la théorie
Pour tenter de le vérifier, les cinq équipes de recherche impliquées dans ce projet se sont appuyées sur DESI (Instrument spectroscopique à énergie sombre). Il s’agit d’un observatoire de pointe qui, comme son nom l’indique, est entièrement dédié à l’énergie noire. Grâce à un ensemble de plus de 5 000 détecteurs, il sonde en permanence les galaxies lointaines pour mieux comprendre la manière dont l’univers se dilate et, par extension, les mécanismes qui permettent à l’énergie noire de faire son office.
L’observatoire a récemment achevé le premier cycle de cette campagne scientifique. Et malgré sa relative jeunesse, il a déjà prouvé qu’il était incroyablement productif. Elle a permis de collecter une montagne de données qui ont notamment mis en lumière un tendance aux implications sérieuses.
En effet, on sait depuis des années que les trous noirs deviennent de plus en plus nombreux et massifs avec le temps. Cependant, dans le même temps, les lectures du DESI montrent clairement que la densité de l’énergie noire augmente également… mais pas en tout cas ; Il s’avère que la montée de l’énergie sombre correspond étonnamment bien à celle des trous noirs. En fait, le lien semble si fort que statistiquement parlant, ce n’est probablement pas une coïncidence. Plus les données s’accumulent, plus les deux paramètres semblent étroitement liés.
» Les deux phénomènes sont cohérents : à mesure que de nouveaux trous noirs ont été créés suite à la mort d’étoiles massives, la quantité d’énergie noire dans l’univers a augmenté dans la mesure appropriée. a déclaré Duncan Farrah, professeur agrégé de physique à l’Université de Washington-Hawaï et co-auteur de l’étude. « Le fait que les trous noirs soient la source de l’énergie noire devient de plus en plus plausible. »
Une nouvelle ère pour la chasse à l’énergie noire
Il convient de préciser que même si la cohérence des données est très encourageante, il ne s’agit pour l’instant que d’une hypothèse. Il faudra encore beaucoup de données et de travail pour obtenir une confirmation rigoureuse. Mais la bonne nouvelle est que DESI semble en bonne voie de nous fournir de nouvelles pièces de ce grand puzzle. Il n’a pas encore montré tout ce dont il est capable et va continuer à monter en puissance. Il y a donc fort à parier que de nouveaux éléments, de plus en plus convaincants, émergeront au cours des quatre prochaines années. Une perspective très enthousiasmante pour les chercheurs impliqués, car elle marque le début d’une nouvelle ère dans la chasse à l’énergie noire : celle de l’expérimentation concrète.
« Cela ne fera qu’apporter plus de profondeur et de clarté à notre compréhension de l’énergie noire, qu’elle continue ou non de soutenir l’hypothèse du trou noir. », se réjouit Steve Ahlen, autre co-auteur de l’étude. » Je pense que c’est un merveilleux effort expérimental. Nous pouvons avoir ou non des idées préconçues, mais nous nous laissons guider par les données et les observations. »
« Fondamentalement, la question de savoir si les trous noirs sont de l’énergie noire, associée à l’univers qu’ils habitent, n’est plus seulement une question théorique. », conclut Tarlé. « Maintenant, c’est une question expérimentale ! »
Le texte de l’étude est disponible ici.
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