Les trous noirs ont sauvé l'univers en dévorant son jumeau d'antimatière

Durant le premier billionième de seconde après le Big Bang, l'univers ressemblait essentiellement à un pacte suicidaire. Pour chaque fragment de matière qui apparaissait, un jumeau identique d'antimatière surgissait à ses côtés, prêt à entrer en contact pour s'annihiler instantanément dans une décharge d'énergie pure. Selon toutes les lois de la physique connue, le cosmos n'aurait dû être qu'un feu d'artifice éphémère ne laissant derrière lui que du vide et de la lumière. Nous ne devrions tout simplement pas être là.

La physique appelle cela le problème de l'asymétrie baryonique. C'est l'erreur de comptabilité cosmique ultime. Si la matière et l'antimatière avaient été créées en quantités égales, elles auraient dû s'annihiler totalement, laissant un univers sans étoiles, sans planètes, et certainement sans êtres vivants pour se demander pourquoi les lumières étaient éteintes. Pourtant, nous voici, dans un monde composé presque entièrement de matière, sans aucune trace du jumeau d'antimatière.

Nikodem Poplawski, physicien théoricien à l'université de New Haven, pense avoir identifié le coupable de ce hold-up cosmique. Il suggère que l'antimatière manquante n'a pas simplement disparu dans la nature ; elle a été dévorée. Plus précisément, elle aurait été aspirée par une nuée de trous noirs primordiaux formés dans le chaos extrême et la haute densité du tout début de l'univers, laissant la matière ordinaire hériter de la Terre.

La moitié manquante de l'univers n'est pas qu'une curiosité philosophique. Si vous deviez serrer la main de votre double d'antimatière, l'explosion résultante ferait passer la plus puissante arme nucléaire jamais construite pour un pétard. Cette instabilité inhérente signifie que tout déséquilibre, aussi infime soit-il, détermine le destin de toute chose. La théorie de Poplawski repose sur une différence spécifique et subtile dans la manière dont ces deux types de particules se comportent sous l'emprise écrasante de la gravité.

Les trous noirs primordiaux sont les fantômes du cosmos primitif. Contrairement aux trous noirs que nous observons aujourd'hui, formés par l'effondrement d'étoiles, ces objets auraient été forgés directement à partir de la soupe du Big Bang lui-même. Ils sont un pilier de la physique théorique depuis que Stephen Hawking les a proposés dans les années 1970, bien qu'ils soient restés désespérément invisibles pour nos télescopes.

Poplawski soutient que ces minuscules puits gravitationnels antiques avaient une préférence. Dans l'environnement hautement énergétique du début de l'univers, les particules d'antimatière auraient pu être légèrement plus massives ou se déplacer différemment de leurs homologues en matière. Ce n'est pas une simple supposition ; des expériences récentes ont montré que certaines particules, comme les mésons, se désintègrent différemment de leurs versions en antimatière. Si l'antimatière était « plus lourde » ou plus lente, elle devenait une cible plus facile.

La gravité est un chasseur patient, mais elle préfère les proies lentes. Si les particules d'antimatière étaient effectivement plus massives que les particules de matière lors de la phase initiale de production de paires, elles auraient voyagé à des vitesses inférieures. Comme n'importe quel spécialiste de mécanique orbitale vous le dira, plus un objet se déplace lentement, plus il est susceptible d'être capturé par une attraction gravitationnelle.

Poplawski suggère que ces trous noirs primordiaux ont agi comme des filtres cosmiques. Ils ont capturé l'antimatière plus lente à des taux nettement plus élevés que la matière, plus rapide. Une fois qu'une particule d'antimatière franchit l'horizon des événements, elle est perdue à jamais pour notre univers observable. Ce qui est resté à l'extérieur des trous noirs est un léger surplus de matière.

Cette théorie fait bien plus qu'expliquer notre existence ; elle pourrait résoudre un casse-tête qui préoccupe actuellement les équipes du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA. Depuis qu'il a commencé à observer l'aube des temps, le JWST repère des trous noirs supermassifs beaucoup plus grands qu'ils ne devraient l'être. Certains de ces monstres, des milliards de fois plus massifs que notre Soleil, apparaissent à peine 500 millions d'années après le Big Bang.

La théorie de l'antimatière dévorée par Poplawski offre un raccourci élégant. Si les trous noirs primordiaux étaient occupés à engloutir d'énormes quantités d'antimatière lourde dès les premiers instants de l'univers, ils auraient bénéficié d'une avance considérable. Ils n'ont pas commencé comme de petites graines ; ils ont commencé comme des gloutons gavés. En dévorant le jumeau d'antimatière de l'univers, ils ont grandi assez vite pour devenir les ancres supermassives des premières galaxies.

La tension réside ici dans le fait que nous travaillons toujours avec la carte de l'univers d'Einstein, et que les trous noirs sont les endroits où cette carte commence à se déchirer. La relativité générale décrit les trous noirs comme des singularités — des points de densité infinie où les lois de la physique s'effondrent. La plupart des physiciens, y compris Poplawski, soupçonnent que c'est le signe que la théorie d'Einstein est incomplète.

Si les trous noirs ne sont pas des points de perdition infinis mais des objets dotés d'une structure interne, leur capacité à stocker et à traiter la matière (ou l'antimatière) change la donne. Il existe un sentiment croissant au sein de la communauté physique que, à mesure que nos images des trous noirs deviennent plus détaillées, nous découvrirons que la recette de la gravité d'Einstein doit être réécrite. Nous sommes à la recherche d'un pont entre le monde géant de la gravité et le monde minuscule des particules quantiques.

Le modèle de Poplawski évite bon nombre des pièges de la « nouvelle physique » dans lesquels tombent d'autres théories. De nombreuses explications concernant le déséquilibre matière-antimatière nécessitent d'inventer des particules ou des forces entièrement nouvelles qui n'ont jamais été observées en laboratoire. L'idée de Poplawski utilise les ingrédients dont nous disposons déjà — les trous noirs et la gravité — et ajuste simplement le timing et l'appétit.

La difficulté, comme toujours avec le Big Bang, est de le prouver. Nous ne pouvons pas remonter à la première seconde du temps pour observer ces trous noirs s'alimenter. Cependant, nous devenons meilleurs pour écouter l'univers. Les ondes gravitationnelles — des ondulations dans le tissu de l'espace-temps causées par des collisions massives — pourraient fournir les preuves dont Poplawski a besoin.

Si le début de l'univers était rempli de trous noirs primordiaux, ils auraient laissé une signature spécifique dans le fond d'ondes gravitationnelles. De même, les neutrinos — ces particules fantomatiques qui traversent presque tout — pourraient transporter des informations de cette époque que la lumière ne peut transmettre. Ces particules agissent comme des archéologues cosmiques, rapportant des données d'une époque où l'univers était trop opaque pour être vu par les télescopes.

Il existe également la possibilité de tester cela dans notre propre arrière-cour. Si la matière et l'antimatière possèdent réellement des masses ou des réponses gravitationnelles légèrement différentes à haute densité, les futures expériences dans les accélérateurs de particules pourraient être en mesure de le détecter. Nous explorons actuellement des densités et des distances qui étaient inimaginables il y a dix ans.

Accepter cette théorie nécessite un changement dans la façon dont nous percevons notre place dans le cosmos. Habituellement, nous considérons les trous noirs comme des destructeurs de mondes — ces drains sombres au centre des galaxies où la lumière va mourir. Mais dans la version des événements de Poplawski, ils sont la raison pour laquelle la fête a commencé en premier lieu.

Sans ces aspirateurs anciens et invisibles, la matière qui compose votre ADN aurait été annihilée avant même d'avoir eu la chance de devenir un atome. C'est une pensée étrange : nous pourrions devoir notre vie aux objets mêmes que nous associons habituellement à la fin de tout. Si l'univers a un parti pris, il semble que ce soit un parti pris pour les survivants du festin d'un trou noir.

Pour l'instant, la théorie demeure un exercice de détective mathématique fascinant. Elle correspond aux données dont nous disposons grâce au JWST et répond au plus grand mystère de la cosmologie sans avoir besoin d'inventer un tout nouvel ensemble de règles. Mais en attendant d'apercevoir un trou noir primordial ou de détecter le sillage de leur frénésie alimentaire originelle, il nous reste un univers qui est le magnifique sous-produit accidentel d'un repas cosmique préhistorique.