Ce bourdonnement cosmique que vous entendez ? Ce n'est peut-être pas le réfrigérateur de l'univers. De nouvelles recherches suggèrent que le fond d'ondes gravitationnelles détecté par les réseaux de chronométrage de pulsars pourrait être l'écho fantomatique de trous noirs supermassifs formés il y a plus de 13 milliards d'années - peut-être issus de l'effondrement d'hypothétiques « étoiles sombres » alimentées par la matière noire.

Dans une étude publiée sous forme de lettre dans Physical Review D, les chercheurs de l'Université Colgate, Sohan Ghodla et Cosmin Ilie, ont étudié si les trous noirs supermassifs nés dans l'univers primitif pouvaient laisser une marque durable sur les ondes gravitationnelles que nous détectons aujourd'hui. Le lien ? Les trous noirs étonnamment massifs observés dans l'univers jeune et les ondes gravitationnelles générées des milliards d'années plus tard lorsque des paires de ces géants spiralent l'un vers l'autre.

L'équipe a découvert qu'une classe possible de graines de trous noirs primordiaux - les restes d'étoiles sombres supermassives - pourrait potentiellement dominer le signal du réseau de chronométrage de pulsars (PTA). Comme l'a dit Ilie : « Les réseaux de chronométrage de pulsars sont généralement considérés comme des sondes de binaires de trous noirs supermassifs dans l'univers relativement récent. Ce que notre travail montre, c'est que le signal pourrait également contenir des informations sur la façon dont les ancêtres de ces trous noirs se sont formés à l'aube cosmique. »

Pour ceux qui ne parlent pas couramment le langage des pulsars : les réseaux de chronométrage de pulsars utilisent des étoiles à neutrons en rotation rapide comme horloges cosmiques. Lorsque des ondes gravitationnelles passent, elles modifient subtilement le timing des impulsions radio atteignant la Terre. En suivant de nombreux pulsars, les équipes ont trouvé des preuves d'un fond stochastique d'ondes gravitationnelles à des fréquences de nanohertz - probablement provenant de binaires de trous noirs supermassifs, en particulier ceux dont la masse combinée dépasse un milliard de soleils.

Mais comment ces trous noirs sont-ils devenus si gros si rapidement ? C'est là que les étoiles sombres entrent en jeu. Ces étoiles primordiales hypothétiques seraient alimentées par le chauffage de la matière noire plutôt que par la fusion nucléaire, leur permettant de croître jusqu'à un million de masses solaires ou plus avant de s'effondrer en trous noirs. Ghodla et Ilie ont modélisé comment de telles graines évolueraient, fusionneraient et produiraient des ondes gravitationnelles.

Leur conclusion ? Si les restes d'étoiles sombres existent à une densité numérique d'environ 10^-3 Mpc^-3, leurs descendants pourraient contribuer de manière importante, voire dominante, au signal PTA. En revanche, les trous noirs à effondrement direct, avec des densités proches de 10^-6 Mpc^-3, contribueraient beaucoup moins.

L'étude met également en évidence une particularité intéressante : les observations PTA peuvent limiter la fréquence de ces graines primordiales. « Produire trop de ces graines massives et vous finissez par surproduire le signal détecté par PTA. En produire trop peu, et vous avez besoin d'autres sources pour assembler efficacement ces trous noirs supermassifs plus tard », a déclaré Ghodla. Des densités de graines autour de 10^-2 à 10^-1 Mpc^-3 dépasseraient les limites observées, selon les masses des halos.

Cela donne aux PTA une capacité inattendue à sonder les populations à des redshifts supérieurs à 10 - des objets anciens dont les descendants créent les ondes que nous voyons aujourd'hui. Les calculs confirment également que les binaires avec des masses totales de trous noirs supérieures à environ 10^9 masses solaires dominent le signal.

Alors, la prochaine fois que vous entendrez ce bourdonnement cosmique, souvenez-vous : il pourrait s'agir de l'empreinte d'ondes gravitationnelles des premiers trous noirs supermassifs de l'univers, nés d'étoiles alimentées par la matière noire. Qui savait que l'univers avait des origines aussi dramatiques ?