Bouilloire cosmique : comment les trous noirs primordiaux réécrivent la vitesse de l'Univers ✛
L'Univers refroidissait comme une baignoire géante après un début brûlant. 400 000 ans après le Big Bang, l'hydrogène était déjà prêt à se recombiner — les protons capturaient les électrons pour devenir des atomes neutres. Mais quelque part dans cette eau sombre, un robinet continuait de goutter. Le rôle des gouttes était joué par les trous noirs primordiaux — des objets microscopiques de masses de l'ordre de 10⁻¹⁸ M☉, vestiges des premiers instants du cosmos. Ces trous noirs s'évaporaient lentement, émettant de l'énergie par le processus quantique prédit par Stephen Hawking, et chaque goutte ajoutait de la chaleur au gaz en refroidissement. Même de rares gouttes retardaient notablement le moment où l'Univers devint transparent à la lumière — ce moment même qui est figé dans le Fond diffus cosmologique.
Ce retard de la recombinaison pourrait résoudre une vieille énigme — la tension de Hubble. Deux méthodes de mesure de la vitesse de l'expansion de l'Univers donnent des nombres différents. Adam Riess et son équipe, en observant les céphéides et les supernovae dans les galaxies proches, obtiennent environ 73 km/s/Mpc. Le satellite Planck, en revanche, scrute la lumière ancienne et en déduit 67,4 km/s/Mpc. L'écart de près de 9 % est trop important pour une erreur aléatoire. Mais si les trous noirs primordiaux réchauffaient le gaz, la surface de dernière diffusion d'où provient le Fond diffus cosmologique se déplace. Avec elle, la valeur calculée de H₀ change. La chaleur des trous noirs ne pousse pas les galaxies plus vite — elle modifie l'étalonnage de notre thermomètre cosmique.
Les astrophysiciens Batten et Mold ont testé l'idée en modifiant le code recfast, qui calcule l'histoire thermique de l'Univers. Ils ont ajouté aux équations le chauffage des trous noirs primordiaux en évaporation dans la gamme de masses 10⁻²⁰–10⁻¹⁷,⁵ M☉, lorsque le rayonnement de Hawking est le plus énergétique. Le mécanisme est simple : le rayonnement gamma dur est diffusé par les électrons, cédant rapidement de l'énergie au gaz. Les pertes par neutrinos, qui emportent jusqu'à la moitié de l'énergie, sont prises en compte. Les trous noirs plus légers (<10⁻¹⁹ M☉) s'évaporent avant l'époque de la nucléosynthèse primordiale et sont contraints par ses observations. L'efficacité dépend peu de l'énergie du photon, de sorte qu'une fraction même modeste de trous noirs dans la matière noire a un effet notable. Si seulement 0,01 % de la matière noire est constituée de trous noirs primordiaux, la surface de dernière diffusion se déplace de Δz ≈ 13 — ce qui augmente H₀ de 1,8 %. Et une fraction de 0,1 % avec une certaine fonction de masse déplace z de 64 et élève H₀ de 8,9 %, éliminant complètement la divergence. Cependant, une concentration trop élevée de trous noirs — au-delà de 1 % de la matière noire — aurait réionisé tout l'hydrogène, ce qui n'est pas observé. Les trous noirs primordiaux plus massifs, survivant jusqu'à l'époque des premières étoiles, sont exclus par les raies d'absorption du gaz intergalactique.
Toute cette histoire renverse la perspective sur le problème : peut-être que la clé de la tension de Hubble ne réside pas dans une nouvelle physique de l'énergie noire, mais dans la composition de la matière noire. Si les trous noirs primordiaux constituent ne serait-ce qu'une faible fraction de celle-ci, alors la déduction de H₀ à partir du Fond diffus cosmologique perd sa fiabilité d'étalonnage. Les mesures locales à z ≲ 1 sont plus pures — elles ne dépendent pas des propriétés non gravitationnelles de la composante sombre. La baignoire de l'Univers primordial se révèle sensible à chaque goutte supplémentaire. À venir : l'affinement des facteurs de corps gris, qui atténuent le flux, et une analyse complète avec variation de la cosmologie via des méthodes de Monte-Carlo. La recherche du fond gamma et du signal d'annihilation des positons dans la Galaxie aidera soit à renforcer l'hypothèse, soit à la clore. Ainsi, les petits trous noirs de l'enfance du cosmos se rappellent à nous aujourd'hui — par des gouttes qui ont décalé le moment de transparence de la baignoire mondiale.
La variation de température du gaz autour d'un TNP évaporé ne dépend pas de sa masse initiale : un trou noir plus massif est simplement entouré d'une quantité de gaz proportionnellement plus grande. C'est comme une grosse bûche qui transmet autant de chaleur à un litre d'eau par unité de masse qu'un petit copeau, s'ils brûlent complètement.
L'idée des trous noirs primordiaux comme source d'énergie est exploitée dans le roman de Greg Egan « Flamme éternelle », où les trous noirs qui s'évaporent sont utilisés comme armes. Dans la nouvelle de Stephen Baxter « Instant », l'explosion d'un trou noir primordial menace la Terre. Dans ce scénario, en revanche, ces trous noirs agissent comme des radiateurs cosmiques, influençant tout l'Univers.