De nouvelles recherches menées par le professeur Enrique Gaztañaga de l’Université de Portsmouth et de l’Institut des sciences spatiales de Barcelone suggèrent que certains trous noirs se sont formés avant le Big Bang et ont survécu à un « rebond » cosmique, expliquant potentiellement la matière noire, les ondes gravitationnelles et la croissance précoce des trous noirs et des galaxies supermassifs.
« Pendant près d’un siècle, les cosmologistes ont retracé l’histoire de l’Univers jusqu’à un seul moment dramatique connu sous le nom de Big Bang », a déclaré le professeur Gaztañaga.
« Dans l’image standard, l’espace et le temps ont émergé d’un état extrêmement chaud et dense il y a environ 13,8 milliards d’années, suivis par des milliards d’années d’expansion cosmique et de formation de galaxies. »
« Ce modèle a connu un succès remarquable. Il explique le fond diffus cosmologique (CMB) – le faible rayonnement laissé par l’Univers primitif – et prédit avec précision la façon dont les galaxies sont réparties sur de vastes distances cosmiques. »
« Mais certains des mystères les plus profonds de la physique restent entiers. Nous ne savons toujours pas ce qui a déclenché le Big Bang, pourquoi l’Univers a commencé dans un état si spécial, ce qui a provoqué la brève explosion d’expansion rapide connue sous le nom d’inflation, ou quelle est la matière noire invisible qui dépasse la matière ordinaire d’environ cinq fois sur un. »
« Notre recherche explore une possibilité qui pourrait relier plusieurs de ces énigmes : l’Univers n’a peut-être pas commencé avec un bang singulier, mais a plutôt émergé d’un rebond cosmique imitant l’inflation, certains des objets les plus anciens de l’Univers ayant potentiellement survécu en tant que reliques d’avant lui.
Certains trous noirs pourraient s’être formés au cours de la phase cosmique antérieure et avoir survécu au rebond, laissant derrière eux des objets reliques qui pourraient encore influencer la structure des galaxies des milliards d’années plus tard.
D’autres pourraient se former peu de temps après le rebond dû aux fluctuations de densité amplifiées, où la matière dans l’Univers primitif était inégalement répartie en amas plus forts et plus prononcés que d’habitude.
Ces amas de matière améliorés s’effondreraient plus facilement sous leur propre gravité, ce qui rendrait plus probable la formation précoce de grandes structures cosmiques – et de trous noirs –.
Dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, le Big Bang correspond à une singularité : un point où la densité devient infinie et où les lois connues de la physique s’effondrent.
De nombreux physiciens interprètent cela comme le signe que notre description actuelle des premiers moments de l’Univers est incomplète.
Une idée alternative est une cosmologie rebondissante, dans laquelle notre Univers provient d’un très gros nuage qui se contracte d’abord puis rebondit en expansion.
Au lieu de s’effondrer dans une singularité infinie, l’Univers atteint une densité très élevée mais finie avant d’inverser son mouvement.
« Les singularités indiquent souvent que notre description théorique a atteint ses limites », a déclaré le professeur Gaztañaga.
« Un rebond permet à l’Univers de passer de la contraction à l’expansion sans nécessiter une nouvelle physique exotique. »
Les scientifiques suggèrent que ce rebond pourrait provenir naturellement de la physique quantique. À des densités extrêmement élevées, les effets quantiques créent une pression puissante qui empêche la matière d’être comprimée indéfiniment – un phénomène qui stabilise déjà les objets denses tels que les naines blanches et les étoiles à neutrons et reproduit la phase d’expansion inflationniste.
Dans le nouveau modèle, un effet similaire pourrait se produire à l’échelle cosmique. À mesure que l’Univers se contracte, cette pression quantique pourrait stopper l’effondrement et déclencher un rebond vers l’expansion.
Ce rebond pourrait également expliquer deux des plus grands mystères de la cosmologie.
Premièrement, cela pourrait expliquer pourquoi l’Univers primitif s’est étendu si rapidement et uniformément dans toutes les directions.
Deuxièmement, cela pourrait éclairer la raison pour laquelle l’Univers semble accélérer son expansion aujourd’hui, un effet actuellement attribué à une force mal comprise appelée énergie noire.
Une implication frappante est que certaines structures formées pendant la phase d’effondrement pourraient avoir survécu au rebond.
Les nouveaux calculs suggèrent que les objets compacts mesurant plus de 90 m environ pourraient passer par la transition et réapparaître dans l’Univers en expansion sous la forme de fossiles d’avant.
Les reliques possibles incluent les ondes gravitationnelles, les fluctuations de densité et les anciens trous noirs.
Ces trous noirs reliques pourraient aider à expliquer la matière noire, la substance invisible qui façonne les galaxies et la structure à grande échelle de l’Univers.
Si de grands nombres se formaient lors du rebond, ils pourraient constituer une fraction importante, voire la totalité, de la matière noire.
Cette idée pourrait également contribuer à expliquer les découvertes récentes par le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA d’objets d’une masse inattendue dans l’Univers primitif, parfois surnommés de petits points rouges.
De nombreux astronomes soupçonnent que ces sources sont liées à des trous noirs à croissance rapide, apparus étonnamment peu de temps après le Big Bang.
« Si des trous noirs massifs existaient déjà immédiatement après le rebond, l’Univers primitif n’aurait pas besoin de repartir de zéro lors de la construction des premières galaxies », a déclaré le professeur Gaztañaga.
La théorie fait également des prédictions qui pourraient être testées avec de futures observations.
Les scientifiques pourraient rechercher des ondes gravitationnelles reliques d’une phase cosmique précédente ou des motifs subtils dans le CMB qui préservent les traces de l’Univers avant le Big Bang.
« Il reste beaucoup à faire pour tester ces idées », a déclaré le professeur Gaztañaga.
« Mais si l’Univers subissait effectivement un rebond, les structures sombres qui façonnent les galaxies aujourd’hui pourraient être des vestiges d’une époque cosmique précédant le Big Bang. »
