L'Univers, après le Big Bang, était presque parfaitement homogène. Presque, car de minuscules inhomogénéités de densité, étirées par l'inflation, sont devenues les germes des galaxies. Mais si ces mêmes inhomogénéités pouvaient engendrer non seulement des étoiles, mais aussi des trous noirs ? Pas des trous noirs ordinaires, mais des trous noirs primordiaux, des objets nés dans les tout premiers instants, quand l'Univers était chaud et dense. Ils restent encore une énigme.

L'idée est simple : si, à un endroit donné, la densité était légèrement supérieure à la valeur critique, cette région aurait pu s'effondrer directement en un trou noir. Mais les modèles d'inflation standard produisent des perturbations trop faibles aux petites échelles. Il faut un amplificateur. Et cet amplificateur, comme le montrent les auteurs de ce nouveau travail, pourrait être le champ magnétique.

Le champ magnétique, tel un sculpteur invisible, façonne des trous noirs à partir de l'Univers primordial. Dans l'Univers primordial, avant même l'apparition des premiers atomes, le champ électromagnétique aurait pu se comporter de manière inhabituelle. Si son couplage avec la gravité était brièvement rompu, des champs magnétiques naissaient. Ceux-ci, à leur tour, créaient des inhomogénéités supplémentaires. Et voici le point clé : les champs magnétiques n'ajoutaient pas simplement de l'énergie, ils exerçaient une pression inégale, créant des tensions anisotropes (des pressions différentes selon les directions). Cela amplifiait les perturbations de courbure (les inhomogénéités de densité étirées par l'inflation) jusqu'à un niveau où l'effondrement en trou noir devient inévitable.

Les auteurs ont examiné un modèle spécifique de magnétogenèse (la naissance des champs magnétiques dans l'Univers primordial) avec une fonction de couplage dite en dents de scie. Elle croît pendant l'inflation, atteint un pic, puis décroît, rétablissant l'électrodynamique standard. Ce profil donne un spectre du champ magnétique avec une cassure : aux grandes échelles, il correspond aux champs intergalactiques observés, tandis qu'aux petites échelles, il s'intensifie brusquement, engendrant des trous noirs.

Les résultats sont impressionnants. Pour une température de réchauffement $T_{re}$ ≈ 2×10⁵ GeV et un indice spectral (l'exposant de la pente du spectre de puissance) $n_B$ = 2.674, le modèle prédit une fraction de trous noirs primordiaux dans la matière noire $f_{PBH}$ ≈ 1, c'est-à-dire pratiquement toute la matière noire. La masse de ces trous noirs est d'environ 4×10⁻¹⁶ masses solaires, soit à peu près la masse d'un astéroïde. De tels objets sont invisibles, mais on peut chercher leur influence gravitationnelle.

L'abondance des trous noirs est exponentiellement sensible à l'indice spectral du champ magnétique : une variation de $n_B$ de seulement 0.005 change $f_{PBH}$ de plusieurs ordres de grandeur. Cela rend le modèle testable : il suffit de mesures précises des champs magnétiques à différentes échelles.

En prime, les ondes gravitationnelles. Les tensions anisotropes du champ magnétique génèrent un fond stochastique d'ondes gravitationnelles. Son amplitude maximale pour le point de référence BP1 ($T_{re}$ = 1 GeV, $n_B$ = 2.28) est $Ω_{GW}$ h² ≈ 2.05×10⁻⁹. C'est justement dans la limite de sensibilité des futurs détecteurs LISA, DECIGO, BBO et SKA. Si ce fond est détecté, cela constituerait une confirmation indépendante de la magnétogenèse.

Ce travail réunit deux problèmes apparemment sans lien : l'origine des champs magnétiques cosmiques et la nature de la matière noire. Un même processus, la naissance des champs magnétiques dans l'Univers primordial, explique les deux. Auparavant, on ne savait pas si les champs magnétiques primordiaux pouvaient à la fois correspondre aux observations et amplifier les perturbations jusqu'au niveau requis. Désormais, on a montré que oui, et ce sans réglage fin du potentiel inflationnaire. Il suffit d'une fonction de couplage en dents de scie.

Et ensuite ? Premièrement, une prise en compte plus précise des effets magnétohydrodynamiques aux petites échelles. Deuxièmement, l'étude d'autres formes de la fonction de couplage. Troisièmement, l'analyse conjointe des données des futures observatoires d'ondes gravitationnelles et des contraintes sur l'abondance des trous noirs primordiaux. Cela permettra de resserrer les paramètres du modèle et, peut-être, de résoudre définitivement l'énigme de la matière noire.

L'Univers que nous voyons n'est que la partie émergée de l'iceberg. En dessous se cache une matière invisible, et peut-être des trous noirs invisibles. Le champ magnétique qui remplissait autrefois le cosmos aurait pu les sculpter à partir du chaos primordial. Nous avons maintenant un moyen de le vérifier.