En approfondissant des concepts avancés formulés il y a plus de 50 ans par Stephen Hawking, un groupe de chercheurs a abouti à la conclusion que plusieurs étoiles pourraient loger un trou noir en leur cœur tout en continuant d’exister de manière étonnamment prolongée. Il est même envisageable que notre Soleil abrite un trou noir d’une masse comparable à celle de la planète Mercure en son noyau, et cela pourrait échapper à notre perception initiale.
Une équipe internationale, sous la direction de chercheurs de l’Institut Max Planck d’astrophysique, vient de publier un article dans The Astrophysical Journal qui aurait certainement captivé Stephen Hawking s’il était toujours parmi nous, bien que l’on ne puisse exclure la possibilité qu’il aurait pu l’examiner de manière critique. Cet article, également disponible en accès libre sur arXiv, revisite des considérations issues d’un article que le chercheur avait publié au début des années 1970 (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 152, Issue 1, avril 1971). Dans cette publication, Hawking développait les implications d’un concept dont il avait été l’un des premiers à saisir l’importance, en parallèle avec les travaux mythiques de Yakov Zeldovich et Igor Novikov publiés en 1967, deux éminents leaders de l’astrophysique et de la cosmologie relativiste russes. À l’époque, la théorie du Big Bang avait été largement accréditée avec la découverte du rayonnement fossile. La détection des étoiles à neutrons sous forme de pulsars confirmait que les prédictions de l’astrophysique relativiste concernant l’effondrement gravitationnel des étoiles devaient être prises au sérieux, notamment en ce qui concerne la formation des trous noirs stellaires, comme l’avait anticipé Oppenheimer et ses élèves.
Des trous noirs en tant que vestiges du Big Bang
En poussant davantage l’exploration et en s’appuyant sur les travaux de cosmologie relativiste de l’époque, qui conduisent à la reconnaissance que pendant la première seconde du Big Bang, l’état de la matière et de l’espace-temps pourrait avoir été suffisamment chaotique et turbulent pour permettre l’émergence d’un spectre complet de fluctuations de densité, pouvant conduire à des effondrements gravitationnels générant des trous noirs primordiaux. Ces derniers pourraient présenter des masses allant de 10-5 g à des valeurs bien plus élevées, atteignant au moins quelques masses solaires.
Déjà à cette époque, Hawking avait estimé que la majeure partie de la masse contenue dans un volume de l’Univers observable pourrait se présenter sous la forme d’une population de ces minuscules trous noirs primordiaux, constituant ainsi ce que l’on qualifierait plus tard de matière noire. Ce concept a été testé au fil des dernières décennies, notamment en cherchant des effets de microlentille gravitationnelle, correspondant à une brusque intensification de la lumière provenant d’une étoile devant laquelle l’un de ces minuscules trous noirs transiterait.
Des limites très strictes ont été établies, suggérant parfois que seule une fraction minime de la matière noire pourrait se présenter sous la forme de ces petits objets compacts, dans des gammes de masses et d’abondances spécifiques. Cependant, on peut toujours avancer l’argument que la matière noire est principalement constituée de trous noirs primordiaux.
Hawking avait également déduit que dans certains cas, une étoile pourrait engloutir un représentant du gaz de trous noirs primordiaux qui baigne les galaxies. L’article récemment publié explore et applique cette idée à des étoiles telles que le Soleil. Les résultats obtenus se sont révélés étonnants.
Des minitrous noirs réchauffant paisiblement des étoiles de type solaire
Des simulations numériques ont révélé que des minitrous noirs primordiaux, ayant une masse équivalente à celle d’un astéroïde ou d’une petite lune, plus précisément inférieure à 10-6 masses solaires, pouvaient être engloutis en toute quiétude par des étoiles de masses solaires sans déclencher de perturbations violentes. On aurait pu supposer que ce type de trou noir connaîtrait une croissance rapide en absorbant la matière stellaire, mais les calculs montrent que ce n’est pas le cas. L’objet s’entoure doucement d’une zone d’accrétion qui rayonne en chauffant l’étoile. La pression radiative résultante régule l’alimentation du trou noir en limitant sa vitesse d’accrétion et d’absorption de matière. Selon sa masse, les effets sur l’étoile hôte peuvent être négligeables pour les moins massifs, et pour les plus lourds, une part significative de la luminosité de l’étoile pourrait provenir du disque d’accrétion plutôt que des réactions thermonucléaires.
Pour les minitrous noirs les plus massifs, l’évolution et la structure d’une étoile de type solaire pourraient être légèrement altérées à mesure que le trou noir central croît lentement. Alors que la majeure partie de la structure interne de notre Étoile effectue un transfert d’énergie vers la surface de manière radiative, avec une couche externe en mode convectif, dans le cas de ce que les chercheurs ont appelé une « étoile de Hawking », c’est l’ensemble du corps stellaire qui serait en état convectif. Ainsi, seul ce mode de transfert de chaleur serait opérationnel entre le cœur de l’étoile, où l’énergie est libérée, et sa surface.
Le scénario où le Soleil absorberait l’un de ces minitrous noirs conduirait à une étoile entièrement convective, brillant pendant des milliards d’années. La surface de cette étoile apparaîtrait particulièrement riche en hélium, car les mouvements convectifs remonteraient l’hélium produit au cœur de l’étoile par la combustion de l’hydrogène. Ultimement, le Soleil évoluerait en un trou noir, une transformation qui aurait été autrement impossible, car seules les étoiles ayant une masse d’au moins 8 à 10 fois celle du Soleil peuvent naturellement devenir des trous noirs à la fin de leur vie, après avoir explosé en supernova de type SN II.
La recherche d’étoiles de Hawking pourrait être menée grâce à l’astérosismologie, une discipline permettant de révéler la structure interne des étoiles. Cependant, il est déjà établi que notre Soleil n’est pas une étoile de Hawking, information confirmée par la sismologie solaire. Des découvertes intéressantes pourraient émerger avec la mission Plato (Planetary transits and oscillations of stars), un télescope spatial développé par l’Agence spatiale européenne (ESA) et qui sera lancé dans les années à venir.
Piste noire : éclaircissements sur les trous noirs primordiaux
Dans le contexte des modèles cosmologiques de type Big Bang, il est établi que la densité « initiale » de l’Univers observable était extrêmement élevée. Selon les équations qui tentent de décrire l’état de la matière et du champ de gravitation à proximité de la singularité cosmologique initiale en relativité générale classique, l’Univers était alors caractérisé par une turbulence intense, avec des fluctuations chaotiques de sa métrique et de sa densité, comme le démontrent les travaux de Misner (connu sous le nom de modèle « mixmaster universe »), ainsi que de Belinsky, Khalatnikov et Lifchitz. Dans ces conditions extrêmes, si une fluctuation de densité atteint une amplitude telle qu’une masse donnée passe en dessous de son rayon de Schwarzschild, cela engendrera la formation d’un minitrou noir. En effet, étant donné la vitesse limite de propagation des interactions (celle de la lumière), si l’on considère une bulle de lumière émise par une zone de la taille de la longueur de Planck au temps de Planck, que l’on peut approximer par des valeurs nulles, une telle densité de matière (ou d’énergie, car un gaz de photons pourrait également s’appliquer) peut conduire à un effondrement gravitationnel à l’instant t si une masse se trouve à l’intérieur de cette bulle de lumière, dont le rayon aura une longueur ct.
Cette notion est facile à appréhender. Si la fluctuation de densité occupe une région de taille supérieure à cette bulle, les interactions gravitationnelles n’ont pas eu le temps de se propager entre ces différentes parties depuis le « début » de la naissance de l’Univers observable, et la surdensité ne « sait » pas qu’elle doit s’effondrer.
Ainsi, il est possible de former des minitrous noirs de masse aussi faible que la masse de Planck, Mp=10-5 g, et au-delà, étant donné que la masse des trous noirs pouvant apparaître 1 seconde après le Big Bang est de 105 masses solaires.
Des astres sombres au sein des atomes ?
En accord avec le schéma cosmologique employé pour dépeindre l’avènement de l’univers observable, la variété des fluctuat ions de densité de matière/énergie ne sera pas uniforme. Ainsi, « la taille et le nombre d’astres sombres primordiaux existant actuellement seront des indications précieuses pour délimiter la turbulence et le genre de modèle cosmologique approprié à la description des premières secondes de l’histoire du cosmos, avant que la géométrie de l’espace-temps ne devienne isotrope et homogène pour finalement être caractérisée par des perturbations légères sur un fond de type Friedmann Robertson-Walker avec une constante cosmologique.
C’est d’ailleurs ce qu’a discerné Stephen Hawking en premier lieu, avant sa découverte retentissante de 1974. Il était même allé plus loin en postulant que certaines particules du rayonnement cosmique pouvaient être composées d’astres sombres, formant ainsi des sortes d’atomes avec un astre sombre au centre.
C’est en examinant les propriétés de ces astres sombres que Hawking a découvert qu’ils pouvaient se comporter comme des particules élémentaires, ou des noyaux chauds instables, en train de se désintégrer en émettant le rayonnement maintenant connu sous le nom de rayonnement Hawking. En fait, dès 1974, Hawking avait montré que même les astres sombres produits par des étoiles devaient être capables de se volatiliser en émettant ce rayonnement.
Le processus de volatilisation est d’autant plus rapide que l’astre sombre est petit. Cependant, lorsque l’astre sombre atteint la masse de Planck, les calculs de Hawking rencontrent des limites, et il est nécessaire de faire intervenir une théorie de la gravitation quantique telle que la théorie des supercordes ou la gravitation quantique à boucles.
Le destin ultime de la vaporisation d’un astre sombre reste l’un des grands problèmes non résolus de la physique théorique moderne.
Comme évoqué précédemment, à mesure qu’un astre sombre se rapproche de la masse de Planck, on peut le considérer comme la particule élémentaire ultime, où toute la physique des hautes énergies, toutes les particules et les forces s’unifient avec l’espace-temps.
