Au mois de février 2023, un neutrino, le plus énergétique jamais détecté, a percuté notre planète ; un événement qui fut alors baptisé KM3-230213A. Mesuré à 220 pétaélectronvolts ou PeV (17 fois plus élevée que celle que le Large Hadron Collider peut produire), il dépasse de très loin les précédents records et a immédiatement alerté toute la communauté scientifique.
D’où pouvait provenir une particule d’une telle intensité ? Pour deux physiciens du MIT Alexandra P. Klipfel et David I. Kaiser, la réponse la plus plausible serait qu’elle était le dernier souffle, la dernière nanoseconde d’un trou noir primordial en train de disparaître. Selon leur étude publiée dans Physical Review Letters, cet objet aurait émis, dans ses ultimes instants, un flot colossal de particules connu sous le nom de radiation de Hawking. Jamais encore cette radiation, prédite par le génie Stephen Hawking dans les années 1970, n’avait été observée.
Si cette hypothèse se confirmait, nous aurions pour la première fois une preuve directe que les trous noirs émettent bien une radiation quantique, comme l’avait prévu Hawking. Cela confirmerait que même les objets les plus massifs obéissent aux lois de la mécanique quantique, et nous donnerait, en parallèle, une piste solide pour expliquer la nature réelle de la matière noire : une partie de cette dernière pourrait être constituée de ces trous noirs primordiaux nés dans les premières secondes après le Big Bang.
Le neutrino KM3-230213A : la trace possible d’un trou noir mourant
Les neutrinos comptent parmi les particules les plus répandues de l’Univers. Ils naissent en quantité astronomique lors de phénomènes énergétiques (la fusion nucléaire au cœur des étoiles, les explosions de supernovas, mais aussi certaines réactions dans l’atmosphère terrestre). À chaque seconde, des centaines de milliards de neutrinos traversent votre corps sans que vous ne vous en rendiez compte.
Comme ces particules n’ont pas de charge électrique et possèdent une masse infime ; elles sont donc « faibles » et n’interagissent que très peu peine avec la matière. Elles passent donc à travers la Terre, presque comme si elles n’existaient pas, c’est pourquoi le fait de détecter un neutrino, pour les astrophysiciens, est un événement très rare.
On comprend alors bien mieux pourquoi la détection de KM3-230213A fut exceptionnelle. Déjà rare par nature, il l’était par son énergie libérée ; le précédent record n’étant que de 10 PeV, il était donc 22 fois supérieur à celui-ci. Une mesure qui a forcément mené à s’interroger sur l’entité qui a pu produire une telle quantité d’énergie.
En effet, si les noyaux actifs de galaxies sont considérés comme les sources les plus probables de neutrinos de haute énergie, l’ampleur de cette pulsation a forcément incité les scientifiques à envisager une autre hypothèse.
Pour Klipfel et Kaiser, un tel niveau d’énergie ne peut s’expliquer que par « le dernier » cri d’un trou noir primordial parvenu à l’ultime étape de sa désintégration. « Dans ce scénario, tout concorde : la matière noire serait faite en grande partie de trous noirs primordiaux, et leurs explosions pourraient expliquer l’origine de ces neutrinos d’une énergie extrême », explique Klipfel. Ce qui signifierait que nous pourrions, pour la première fois, avoir observé la mort d’un trou noir né dans les premiers instants du cosmos.
Quand un trou noir se meurt
Les trous noirs primordiaux seraient apparus lors des tout premiers instants de l’Univers, au cours de la première seconde qui suivit le Big Bang. Ils ne seraient pas nés de l’effondrement d’étoiles massives sur elles-mêmes, comme les trous noirs que nous connaissons, mais de minuscules fluctuations de l’espace-temps lui-même, amplifiées par l’expansion cosmique. Leur masse, bien plus faible que celle d’un trou noir stellaire, est comparable à celle d’une petite montagne ou d’un astéroïde.
Selon la théorie de Stephen Hawking, le vide quantique autour d’un trou noir n’est jamais totalement vide : des paires de particules virtuelles s’y forment en permanence. Normalement, elles s’annihilent aussitôt. Mais si ce phénomène se produit juste au bord de l’horizon des événements (frontière invisible autour d’un trou noir), l’une des particules peut être capturée par le trou noir tandis que l’autre s’échappe.
Pour un observateur extérieur, cela se traduirait par l’émission d’un fort rayonnement : la radiation de Hawking. Cette perte d’énergie entraînerait alors une diminution progressive de la masse du trou noir. Plus l’objet est petit, plus cette perte s’accélère, jusqu’à provoquer une disparition explosive dans ses derniers instants.
« Explosive », le mot est bien choisi, car selon les calculs de Klipfel et Kaiser montrent qu’un trou noir primordial mourant pourrait produire en une nanoseconde jusqu’à un sextillion (10²¹) de neutrinos. Soit exactement le type de déferlement de particules qui pourrait avoir engendré le neutrino KM3-230213A.
Pour qu’un neutrino d’une telle énergie frappe la Terre, il faudrait que l’explosion se produise à proximité relative de notre planète : moins de 2 000 unités astronomiques, environ 299,2 milliards de kilomètres. Cela place l’événement KM3-230213A au sein du nuage d’Oort, une vaste sphère de comètes glacées qui marque la limite gravitationnelle du Système solaire.
Selon Klipfel et Kaiser, ils estiment la probabilité de ce scénario à approximativement 8 % ; « ce n’est pas très élevé, mais c’est suffisant pour être pris au sérieux, surtout qu’aucune autre explication cohérente [pour comprendre l’événement KM3-230213A] n’existe pour l’instant », explique Kaiser.
Si cette interprétation venait un jour à être confirmée, KM3-230213A, validerait, comme expliqué plus haut, les équations d’Hawking et rapprocherait deux mondes que la physique peine encore à réunir. La relativité générale, qui décrit les lois gravitationnelles de notre Univers et la mécanique quantique, régissant l’infiniment petit. Un immense pas vers l’un des plus grands rêves de la physique moderne : une théorie capable d’expliquer à la fois le comportement des galaxies et celui des particules élémentaires. Ce serait également une victoire pour toute une lignée de penseurs aux idées subversives ; Albert Einstein, Paul Dirac, Stephen Hawking ; qui avaient pressenti, à leur manière, que les trous noirs seraient un jour la clé de l’unification des lois de la physique.
- En février 2023, un neutrino d’une énergie inédite a été détecté sur Terre, bien au-delà de tout ce qui avait été observé jusque-là.
- Deux physiciens avancent qu’il pourrait provenir de l’explosion finale d’un trou noir primordial, libérant la fameuse radiation prédite par Hawking.
- Si cette piste se confirmait, elle offrirait la première preuve expérimentale de ce rayonnement et une explication possible à la matière noire.
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