L'explosion d'un trou noir. Les amateurs de science-fiction en rêvent. Mais est-ce possible dans la réalité ? Oui, affirment les physiciens. Ils estiment même que cela se produit environ une fois tous les 100 000 ans. Mais, il y a quelques semaines seulement, une équipe de l'université du Massachusetts à Amherst (États-Unis) évaluait à plus de 90 % la probabilité qu'une de ces explosions de trous noirs soit observable depuis notre Terre dans les années à venir, mettant nos instruments en alerte.

Aujourd'hui, ces mêmes physiciens présentent, dans les Physical Review Letters, ce qu'ils considèrent comme la preuve qu'une explosion de trou noir a d'ores et déjà été enregistrée par un instrument à la pointe de la technologie : l'expérience KM3NeT.

Un neutrino qui ne devrait pas exister

Cet observatoire pas comme les autres est constitué de milliers de capteurs de lumière déposés dans les profondeurs de la Méditerranée. Objectif : détecter des neutrinos qui, les physiciens le savent, n'interagissent que très peu avec la matière. Des sortes de « particules fantômes » mais dont l'étude peut renseigner les chercheurs notamment sur les phénomènes extrêmes qui les produisent dans notre Univers.

C'est en février 2023 que l'expérience KM3NeT a enregistré un événement de très haute énergie. Un neutrino flirtant avec les 220 pétaélectronvolts (PeV). Pour vous faire une idée, sachez que c'est environ 100 000 fois plus que l'énergie de la particule la plus énergétique jamais produite par le Grand collisionneur de hadrons (LHC), l'accélérateur de particules le plus puissant au monde. C'est colossal !

Ici, une photo prise lors de l’assemblage d’un module optique de l’expérience KM3NeT qui a détecté le neutrino étudié par les physiciens de l’université du Massachusetts (États-Unis). © N. Busser, CNRS

La marque de l’explosion d’un trou noir primordial ?

L'ennui, c'est qu'aucune source connue dans notre Univers n'est, sur le papier, capable de produire des neutrinos aussi énergétiques. Aucune source connue. Mais peut-être bien l'explosion d'un trou noir, ont rapidement suggéré les chercheurs de l'université du Massachusetts. Plus exactement, l'explosion de l'un de ces trous noirs qu'ils appellent « trou noir primordial quasi extrémal ».

Pour comprendre, il faut se rappeler que les trous noirs se forment lorsqu'une étoile massive arrive en fin de vie. Une fois son combustible épuisé, elle implose en une supernova d'une puissance terrible. Derrière elle, elle laisse une région où la gravité est tellement intense que plus rien ne peut s'en échapper. Pas même la lumière. De tels trous noirs sont à la fois extrêmement massifs et stables.

Le célèbre physicien Stephen Hawking avait envisagé l'existence d'un autre type de trous noirs : des trous noirs primordiaux. Ils n'auraient pas besoin d'attendre l'effondrement d'une étoile massive pour se former. Pour eux, les conditions qui régnaient dans notre Univers peu après le Big Bang suffiraient. Résultat : ils seraient bien plus légers que les trous noirs plus classiques. Et ils seraient susceptibles, si leur température est suffisante, d'émettre lentement des particules sous la forme d'un « rayonnement de Hawking ». C'est de l'explosion de ce type de trous noirs dont les chercheurs de l'université du Massachusetts à Amherst parlaient déjà il y a quelques semaines. Estimant que nous pourrions être en mesure d'en enregistrer une environ tous les 10 ans seulement.

D’un neutrino impossible à la matière noire

Ainsi, nous voici presque arrivés à la fin de l'histoire de ce neutrino ultra-énergétique détecté en février 2023. Ce qu'il nous faut encore savoir, c'est Andrea Thamm, physicienne à l'université du Massachusetts à Amherst qui l'explique dans un communiqué. « À mesure que les trous noirs primordiaux s'évaporent, ils deviennent de plus en plus légers et donc de plus en plus chauds, émettant toujours plus de rayonnement dans un processus d'emballement jusqu'à l'explosion. » Mais alors, si des explosions de trous noirs primordiaux se produisent aussi régulièrement, comment se fait-il que nos détecteurs n'aient enregistré jusqu'ici qu'un seul neutrino ultra-énergétique ?

Pour l'expliquer, les physiciens dégainent une autre bizarrerie de leur invention : les trous noirs primordiaux quasi extrémaux. Des trous noirs primordiaux comme ceux décrits par Stephen Hawking, mais dotés d'une mystérieuse « charge sombre ». Comprenez, d'une copie de notre force électrique animée par une version hypothétique et très lourde de notre électron. « Notre modèle est plus complexe que ceux des simples trous noirs primordiaux. Mais il peut expliquer l'origine du neutrino enregistré par l'expérience KM3NeT », assure Michael Baker, coauteur de l'étude.

Cette vue d’artiste montre notre Univers primordial, rempli des petits trous noirs. © Goddard Space Flight Center, Nasa

Selon les physiciens de l'université du Massachusetts, ce modèle serait même en mesure de résoudre le mystère de la matière noire. En effet, si leur hypothèse de charge sombre est avérée, il pourrait exister une population importante de trous noirs primordiaux. De quoi expliquer toute la matière noire manquante dans notre Univers.