Plus tôt cette semaine, une étude a fait la une des journaux affirmant que la mystérieuse “énergie noire” que les cosmologistes croient accélérer l’expansion de l’univers pourrait provenir de trous noirs supermassifs au cœur des galaxies. Si cela est vrai, la connexion relierait deux des concepts les plus hallucinants de la physique – les trous noirs et l’énergie noire – et suggérerait que la source de cette dernière est sous le nez des théoriciens depuis des décennies. Cependant, certains théoriciens de premier plan sont profondément sceptiques quant à l’idée.
“Ce qu’ils proposent n’a aucun sens pour moi”, déclare Robert Wald, physicien théoricien à l’Université de Chicago, spécialiste de la théorie de la relativité générale d’Einstein, la compréhension standard de la gravité. D’autres théoriciens étaient plus réceptifs à l’affirmation radicale, même si elle finit par être fausse. « Je suis personnellement enthousiasmé », déclare l’astrophysicien Niayesh Afshordi du Perimeter Institute for Theoretical Physics.
À première vue, les trous noirs et l’énergie noire semblent n’avoir rien à voir l’un avec l’autre. Selon la relativité générale, un trou noir est un champ gravitationnel pur si fort que sa propre énergie soutient son existence. On pense que ces bêtes particulières émergent lorsque des étoiles massives s’effondrent à un point infinitésimal, ne laissant que leurs champs gravitationnels derrière eux. On pense que des trous noirs supermassifs ayant des millions ou des milliards de fois la masse de notre soleil se cachent au cœur des galaxies.
En revanche, l’énergie noire est un phénomène mystérieux qui étire littéralement l’espace et accélère l’expansion de l’univers. Les théoriciens pensent que l’énergie noire pourrait représenter une nouvelle sorte de champ dans l’espace, un peu comme un champ électrique, ou qu’elle pourrait être une propriété fondamentale de l’espace vide lui-même.
Alors, comment les deux pourraient-ils être liés? La mécanique quantique suggère que le vide de l’espace vide devrait contenir un type d’énergie connue sous le nom d’énergie du vide. On pense que celle-ci se répand dans tout l’univers et exerce une force opposée à la gravité, ce qui en fait un candidat de choix pour l’identité de l’énergie noire. En 1966, le physicien soviétique Erast Gliner a montré que les équations d’Einstein pouvaient également produire des objets qui, pour les observateurs extérieurs, ressemblent et se comportent exactement comme un trou noir, mais sont en fait des boules géantes d’énergie du vide.
Si de tels objets devaient exister, cela signifierait qu’au lieu d’être uniformément répartie dans l’espace, l’énergie noire est en fait confinée à des endroits spécifiques : l’intérieur des trous noirs. Même liée à ces nœuds particuliers, l’énergie noire exercerait toujours son effet d’étirement de l’espace sur l’univers.
Une conséquence de cette idée – que les trous noirs supermassifs sont la source d’énergie noire – est qu’ils seraient liés à l’étirement constant de l’espace et que leur masse devrait changer à mesure que l’univers s’étend, explique l’astrophysicien Duncan Farrah de l’Université d’Hawaii à Manoa. . “Si le volume de l’univers double, la masse du trou noir double également”, ajoute-t-il.
Pour tester cette possibilité, Farrah et ses collègues ont étudié les galaxies elliptiques, qui contiennent des trous noirs avec des millions ou des milliards de fois la masse du soleil en leur centre. Ils se sont concentrés sur les galaxies avec peu de gaz ou de poussière flottant entre leurs étoiles, ce qui fournirait un réservoir de matière dont le trou noir central pourrait se nourrir. On ne s’attendrait pas à ce que de tels trous noirs changent beaucoup au cours de l’histoire cosmique.
Pourtant, en analysant les propriétés des elliptiques sur environ neuf milliards d’années, l’équipe a constaté que les trous noirs de l’univers primitif étaient beaucoup plus petits par rapport à leur galaxie hôte que ceux de l’univers moderne, ce qui indique qu’ils avaient augmenté d’un facteur de sept à 10 fois en masseFarrah et ses collègues ont rapporté ce mois-ci dans le Journal astrophysique.
Le fait que les trous noirs ont gonflé alors que les galaxies ne l’ont pas fait est la clé, dit Farrah. Si les trous noirs s’étaient développés en se nourrissant de gaz et de poussière à proximité, ce matériau aurait également dû générer de nombreuses nouvelles étoiles dans des parties de la galaxie éloignées du trou noir. Mais si les trous noirs étaient faits d’énergie noire, ils réagir aux changements de taille de l’univers exactement de la même manière que les chercheurs ont observé au centre des galaxies elliptiques, l’équipe de Farrah a également rapporté cette semaine dans Lettres du journal astrophysique.
Wald n’est pas convaincu. Il se demande comment un orbe d’énergie noire pure pourrait être stable. Il dit également que les chiffres ne semblent pas correspondre : l’énergie noire est connue pour représenter 70 % de l’énergie de masse de l’univers, tandis que les trous noirs ne représentent qu’une fraction de la matière ordinaire, qui constitue moins de 5 % de l’univers. “Je ne vois pas comment il est concevable de quelque manière que ce soit que de tels objets puissent être pertinents pour l’énergie noire observée”, dit-il.
D’autres adoptent une attitude attentiste. “Pour le moment, c’est une possibilité intéressante”, déclare le cosmologue Geraint Lewis de l’Université de Sydney, mais “il faudrait qu’il y ait beaucoup plus de preuves sur la table s’il s’agit même d’une source plausible d’énergie noire.”
Afshordi est d’accord. Si les trous noirs et l’énergie noire sont liés de cette manière, cela aurait probablement d’autres conséquences visibles dans l’univers, dit-il. Pour le moment, cependant, il ne sait pas ce que ce serait. Déterminer exactement comment les galaxies évoluent au fil du temps est une affaire délicate, ajoute-t-il, et il pourrait y avoir d’autres mécanismes de croissance des trous noirs que l’équipe n’a pas pris en compte.
Néanmoins, Afshordi soutient les efforts visant à repenser les hypothèses fondamentales sur l’univers. « La plupart des nouvelles idées théoriques sont rejetées par le scepticisme », dit-il. “Mais si nous rejetons toutes les nouvelles idées, il ne restera plus rien.”