Une seconde après le Big Bang, les interactions entre particules pourraient avoir créé des trous noirs, des étoiles à bosons et des étoiles cannibales.

Avant que les éléments atomiques ne se réunissent, moins d’une seconde après le Big Bang, si les particules se condensaient en halos de matière, ces halos pourraient alors s’effondrer, créant les premiers trous noirs, les étoiles bosons et les étoiles dites cannibales. C’est la conclusion d’une nouvelle étude qui vient d’être publiée dans Examen physique Dmenée par une équipe de chercheurs de SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, en collaboration avec l’INFN, l’IFPU et l’Université de Varsovie.

Partant de l’hypothèse, proposée par certains modèles cosmologiques, selon laquelle dans les premières phases de l’univers il y avait eu une brève ère dominée par la matière (EMDE), les auteurs ont étudié comment les particules auraient pu interagir les unes avec les autres, découvrant que de telles interactions pouvaient donner naissance à une surprenante variété d’objets cosmiques. L’étude montre ainsi que dès les premiers instants après le Big Bang, l’univers pourrait déjà être le théâtre d’une phénoménologie physique riche et complexe.

Juste après l’inflation : que s’est-il passé ensuite

Les progrès récents de la cosmologie ont permis de reconstituer en détail l’histoire de l’univers, depuis l’expansion initiale rapide connue sous le nom d’inflation jusqu’à la nucléosynthèse primordiale, la formation des premiers noyaux atomiques plus lourds que l’hydrogène, survenue entre 10 secondes et 20 minutes après le Big Bang. La période intermédiaire reste cependant largement inexplorée.

Comme l’expliquent les auteurs, “une possibilité intéressante est que pendant cet intervalle, la matière ait temporairement dominé l’univers”. Dans ce scénario, des halos de matière peuvent se former naturellement. De plus, si les particules pouvaient interagir les unes avec les autres, ces interactions pourraient alors conduire à un effondrement gravithermique, entraînant la formation d’objets compacts tels que des trous noirs et d’autres structures cosmiques exotiques.

D’étranges structures à l’aube de l’univers

Parmi ces objets compacts, les chercheurs suggèrent que des étoiles cannibales auraient pu se former. Les étoiles cannibales sont similaires aux étoiles traditionnelles, sauf que c’est l’auto-annihilation des particules au lieu de la fusion nucléaire qui alimente les étoiles.

Dans le même temps, notent les auteurs, des étoiles à bosons pourraient également s’être formées, là où la nature quantique des particules soutient l’étoile. Ces étoiles pourraient avoir peuplé l’univers nouveau-né pendant quelques secondes seulement avant de s’effondrer davantage en trous noirs primordiaux (PBH). Alternativement, les PBH pourraient s’être formés directement à partir de l’effondrement des halos de matière.

Nouvelles hypothèses sur les trous noirs primordiaux

Selon l’étude, les halos formés lors d’un EMDE avaient des masses relativement petites (inférieures à 10²⁸ grammes) et, suite à un effondrement gravithermique, auraient pu générer des trous noirs primordiaux encore plus petits. À l’aide d’un modèle théorique simplifié, les chercheurs ont montré que dans certains cas, les PBH pouvaient être surproduits, violant ainsi les contraintes d’observation ; dans d’autres, des PBH de masse astéroïde pourraient se former, représentant potentiellement toute la matière noire de l’univers.

Enfin, certains PBH pourraient s’évaporer rapidement, disparaissant avant la nucléosynthèse primordiale, c’est-à-dire avant la formation d’atomes légers comme l’hydrogène et l’hélium.

De nouvelles perspectives sur l’univers

Les résultats ouvrent également des perspectives plus larges. Comme le concluent les auteurs : « Il serait intéressant d’explorer la formation d’étoiles cannibales et d’étoiles à bosons dans l’univers actuel, à travers l’effondrement de halos de matière noire en interaction automatique. De plus, bien que plus spéculative, l’étude de la formation et de l’accrétion d’étoiles dans des modèles de particules simples pourrait fournir de nouvelles informations sur les processus astrophysiques complexes qui façonnent notre univers. »