L’étude montre comment les fluctuations de grande amplitude générées à petite échelle peuvent amplifier les fluctuations à grande échelle observées dans le fond diffus cosmologique. Crédit : 2024 ESA/Planck Collaboration, modifié par Jason Kristiano CC-BY-ND
Des chercheurs du Research Center for the Early Universe (RESCEU) et du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) de l’université de Tokyo ont appliqué la théorie quantique des champs, bien comprise et hautement vérifiée, habituellement appliquée à l’étude du très petit, à une nouvelle cible, l’univers primitif.
Leur exploration a abouti à la conclusion qu’il devrait y avoir beaucoup moins de trous noirs miniatures que ne le suggèrent la plupart des modèles, même si des observations devraient bientôt permettre de le confirmer. Le type spécifique de trou noir en question pourrait être un concurrent de la matière noire. Leurs travaux ont été publiés dans Physical Review Letters et Physical Review D.
L’étude de l’univers peut s’avérer déconcertante, alors assurons-nous que nous sommes tous sur la même longueur d’onde. Bien que les détails soient flous, les physiciens s’accordent généralement à dire que l’univers a environ 13,8 milliards d’années, qu’il a commencé par un « bang », qu’il a connu une expansion rapide au cours d’une période appelée « inflation » et qu’à un moment donné, il est passé d’un état homogène à un état détaillé et structuré.
La majeure partie de l’univers est vide, mais malgré cela, il semble être beaucoup plus lourd que ce que nous pouvons voir – nous appelons cet écart la matière noire, et personne ne sait ce qu’il pourrait être, mais des preuves s’accumulent pour dire qu’il pourrait s’agir de trous noirs, en particulier de vieux trous noirs.
« Nous les appelons trous noirs primordiaux (PBH), et de nombreux chercheurs pensent qu’ils sont un candidat solide pour la matière noire, mais il faudrait qu’il y en ait beaucoup pour satisfaire cette théorie », a déclaré Jason Kristiano, étudiant de troisième cycle.
« Ils sont également intéressants pour d’autres raisons, car depuis l’innovation récente de l’astronomie des ondes gravitationnelles, on a découvert des fusions de trous noirs binaires, ce qui peut s’expliquer si les PBH existent en grand nombre. Mais malgré ces fortes raisons pour lesquelles leur abondance est attendue, nous n’en avons pas vu directement, et nous disposons maintenant d’un modèle qui devrait expliquer pourquoi c’est le cas ».
Kristiano et son superviseur, le professeur Jun’ichi Yokoyama, actuellement directeur de l’IPMU Kavli et de la RESCEU, ont étudié en détail les différents modèles de formation des PBH, mais ont constaté que les principaux prétendants ne correspondaient pas aux observations réelles du fond diffus cosmologique (CMB), qui est en quelque sorte une empreinte digitale résiduelle de l’explosion du Big Bang marquant le début de l’univers. Si une hypothèse ne correspond pas à des observations solides, elle ne peut pas être vraie ou ne peut, au mieux, que brosser un tableau partiel de la situation.
Dans ce cas, l’équipe a utilisé une nouvelle approche pour corriger le principal modèle de formation de PBH à partir de l’inflation cosmique, afin qu’il corresponde mieux aux observations actuelles et qu’il puisse être vérifié par les observations à venir des observatoires terrestres d’ondes gravitationnelles dans le monde entier.
« Au début, l’univers était incroyablement petit, bien plus petit que la taille d’un seul atome. L’inflation cosmique l’a rapidement agrandi de 25 ordres de grandeur. À cette époque, les ondes voyageant dans ce minuscule espace pouvaient avoir des amplitudes relativement grandes mais des longueurs d’onde très courtes. Ce que nous avons découvert, c’est que ces ondes minuscules mais puissantes peuvent se traduire par une amplification autrement inexplicable d’ondes beaucoup plus longues que nous voyons dans le CMB actuel », a déclaré Yokoyama.
« Nous pensons que cela est dû à des cas occasionnels de cohérence entre ces premières ondes courtes, qui peuvent être expliqués à l’aide de la théorie quantique des champs, la théorie la plus robuste dont nous disposons pour décrire les phénomènes quotidiens tels que les photons ou les électrons. Alors que les ondes courtes individuelles seraient relativement impuissantes, des groupes cohérents auraient le pouvoir de remodeler des ondes beaucoup plus grandes qu’elles. Il s’agit d’un cas rare où une théorie de quelque chose à une échelle extrême semble expliquer quelque chose à l’autre extrémité de l’échelle ».
Si, comme le suggèrent Kristiano et Yokoyama, les fluctuations précoces à petite échelle de l’univers affectent certaines des fluctuations à plus grande échelle que nous observons dans le CMB, cela pourrait modifier l’explication standard des structures grossières de l’univers. Mais aussi, étant donné que nous pouvons utiliser les mesures des longueurs d’onde dans le CMB pour contraindre efficacement l’étendue des longueurs d’onde correspondantes dans l’univers primitif, cela contraint nécessairement tout autre phénomène qui pourrait s’appuyer sur ces longueurs d’onde plus courtes et plus fortes. Et c’est là que les PBH entrent en jeu.
« On pense généralement que l’effondrement des longueurs d’onde courtes mais intenses dans l’univers primitif est à l’origine des trous noirs primordiaux », explique Kristiano. « Notre étude suggère qu’il devrait y avoir beaucoup moins de PBH que nécessaire s’ils sont en effet un candidat solide pour la matière noire ou les événements d’ondes gravitationnelles.
À l’heure où nous écrivons ces lignes, les observatoires d’ondes gravitationnelles du monde entier, le LIGO aux États-Unis, le Virgo en Italie et le KAGRA au Japon, sont au cœur d’une mission d’observation visant à repérer les premiers petits trous noirs, probablement des PBH. Quoi qu’il en soit, les résultats devraient offrir à l’équipe des preuves solides qui l’aideront à affiner sa théorie.
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