La matière noire pourrait être faite de trous noirs nés dans un autre Univers avant le Big Bang !

Cela fait presque un siècle que la cosmologie relativiste moderne a pris son essor, rétrospectivement avec les travaux visionnaires de Georges Lemaître. Ils ont permis de faire passer les récits mythiques des origines du monde à l’état de discours scientifiques et positifs, comme l’aurait dit dans son jargon le philosophe Auguste Comte. On peut lire ce passage dans le dernier ouvrage du célèbre cosmologiste et astrophysicien français Jean-Pierre Luminet, qu’il présente dans la vidéo ci-dessous.

Présentation générale du livre « Les Origines du Monde » de Jean-Pierre Luminet, publié aux éditions Bouquins en mars 2026. Depuis que l’être humain pense, il cherche à comprendre d’où il vient. Cette quête millénaire a donné naissance à une multitude de récits cosmogoniques, au croisement du mythe, de la pensée, du savoir et de l’imaginaire. À travers une sélection d’une centaine de textes fondamentaux, commentés et annotés, le livre explore ces constructions diverses, allant des premières mythologies aux plus récentes spéculations scientifiques, en passant par les doctrines philosophiques et les visions poétiques. © Jean-Pierre Luminet

Il a donc fallu pour cela attendre l’essor de la théorie de la relativité générale d’Einstein qui, en bonus, nous a enseigné l’existence initialement théorique des trous noirs et des ondes gravitationnelles.

L’astronomie gravitationnelle avec ces ondes a débuté il y a 10 ans. Depuis, elle a fortement accrédité l’existence des trous noirs tout en relançant une vieille spéculation, à savoir qu’au moins une partie de la fameuse matière noire pourrait être constituée de trous noirs datant du Big Bang.

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Mais en fait, la vérité pourrait être plus fantastique encore, comme le suggèrent certains chercheurs à partir des scénarios de pré-Big Bang supposant l’existence d’un Univers avant le nôtre, qui se serait effondré gravitationnellement avant de voir la contraction se changer à nouveau en expansion, selon le scénario général appelé celui du « rebond ». Scénario que l’on peut voir dans certaines approches en cosmologie quantique, avec une théorie quantique de la gravitation.

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Un exemple récent de ce genre de spéculation se retrouve dans un article paru dans The Conversation, dont l’auteur est Enrique Gaztanaga, professeur d’astrophysique à l’Institut de cosmologie et de gravitation de l’Université de Portsmouth. Nous reprenons son article en le traduisant, ci-dessous.

De nouvelles recherches suggèrent que des trous noirs reliques, antérieurs au Big Bang, pourraient encore influencer la forme des galaxies actuelles. Ces trous noirs pourraient expliquer la matière noire, l’une des plus grandes énigmes de la cosmologie.

De manière générale, les trous noirs sont des régions de l’espace-temps où la matière est comprimée dans un espace infime. La matière noire, quant à elle, est une matière qui n’absorbe ni ne réfléchit la lumière. Son existence est avérée grâce à son influence gravitationnelle sur les galaxies et autres structures cosmiques.

On peut la considérer comme le « ciment » qui maintient les galaxies ensemble, mais sa composition fondamentale reste un mystère. La plupart des physiciens pensent que la matière noire est composée d’une particule subatomique encore inconnue.

Or, les trous noirs très anciens, antérieurs au Big Bang, correspondent également à cette hypothèse. Ils sont sombres, mais possèdent aussi une masse – exactement les propriétés requises.

J’ai exploré cette idée dans un article récent. Bien sûr, l’existence de trous noirs reliques implique également de repenser le Big Bang lui-même. Pendant près d’un siècle, les cosmologistes ont retracé l’histoire de l’Univers jusqu’à ce moment unique et spectaculaire. Mais peut-être n’était-ce pas le commencement absolu des temps. Peut-être y avait-il un Univers avant le Big Bang.

Selon ce scénario, l’Univers s’est effondré avant de connaître une expansion. Le Big Bang représente la transition entre ces deux phases.

Une histoire de l’Univers du Big Bang au présent. © Bicep2 Collaboration

Le modèle du Big Bang a connu un succès remarquable. Il explique le fond diffus cosmologique – la rémanence de l’univers primordial – et prédit la distribution à grande échelle des galaxies avec une précision étonnante.

Mais dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, il s’agit aussi d’une singularité – un point où la densité devient infinie et où les lois connues de la physique ne sont plus respectées.

De nombreux physiciens interprètent cela non pas comme une réalité physique, mais comme le signe qu’il manque quelque chose. Les singularités ressemblent moins à des objets physiques qu’à des avertissements mathématiques : elles nous indiquent que nos théories actuelles ne peuvent pas décrire les premiers instants de l’Univers.

Un rebond, pas une explosion

Une alternative est la cosmologie du rebond. Dans ce modèle, l’Univers subit une phase de contraction avant le Big Bang, atteignant une densité extrêmement élevée, mais finie. Au lieu de s’effondrer en une singularité, il rebondit, amorçant une nouvelle phase d’expansion.

Les modèles de rebond sont explorés depuis des décennies, nécessitant souvent des modifications de la gravité ou l’introduction de nouveaux éléments exotiques. Nos travaux montrent cependant qu’un rebond peut apparaître comme une solution régulière au sein de la physique standard, lorsque la gravité et les effets de la mécanique quantique – les lois qui régissent la nature à l’échelle cosmique – sont pris en compte de manière cohérente.

En cosmologie standard, le Big Bang est rapidement suivi d’une période d’expansion rapide et exponentielle de l’Univers primordial. Cette étape, appelée inflation, efface toute trace des structures antérieures.

La situation est différente pour un Univers rebondissant. Nos travaux ont révélé que des objets de plus de 90 mètres de diamètre pourraient avoir survécu à la transition entre l’effondrement et l’expansion. Il en résulte des « reliques » porteuses d’informations d’une époque cosmique antérieure. Ces reliques peuvent inclure des trous noirs, des ondes gravitationnelles et des fluctuations de densité. La physique quantique recèle un indice précieux pour comprendre ce phénomène. Selon le principe d’exclusion de Pauli – pierre angulaire de la théorie quantique – la matière devient « dégénérée » à des densités extrêmement élevées. Elle génère une pression qui résiste à toute compression supplémentaire, même en l’absence de chaleur.

Dans notre modèle, un effet similaire opère à l’échelle cosmologique. Il pourrait expliquer pourquoi l’Univers ne s’effondre pas complètement et pourquoi des structures formées avant ou pendant le rebond peuvent survivre à la phase d’expansion.

Une équipe d’astronomes a analysé les données du télescope spatial James-Webb issues de plusieurs relevés afin de constituer l’un des plus grands échantillons de « petits points rouges » (LRD) à ce jour. L’équipe avait découvert que ces mystérieux objets rouges, apparemment petits dans le ciel, émergent en grand nombre environ 600 millions d’années après le Big Bang et connaissent un déclin rapide de leur nombre environ 1,5 milliard d’années après celui-ci. Les données spectroscopiques de certains LRD de leur échantillon, fournies par le relevé Rubies (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), suggèrent que nombre d’entre eux sont des trous noirs en accrétion. Cependant, des études plus approfondies sur ces objets intrigants sont nécessaires. © Nasa, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)

Survivre à l’apocalypse

Nous identifions deux voies principales d’apparition des trous noirs reliques.

La première est la survie directe. Les objets compacts et les perturbations (fluctuations de densité ou de gravité) générés lors de la phase d’effondrement de l’Univers peuvent persister après le rebond.

La seconde voie est encore plus intrigante. Lors de la contraction, la matière s’agglomère naturellement sous l’effet de la gravité, formant des structures semblables aux halos qui abritent aujourd’hui les galaxies. Après le rebond, ces structures s’effondrent efficacement pour former des trous noirs. Les galaxies et les étoiles issues de la phase de contraction s’effondrent en trous noirs, effaçant la majeure partie de leur structure détaillée tout en préservant leur masse.

Ces trous noirs pourraient-ils être de la matière noire ? Pendant des décennies, le principal candidat a été une particule fondamentale, mais aucune n’a été détectée malgré des recherches approfondies.

Les trous noirs reliques offrent une alternative fascinante. Si le Big Bang en produit suffisamment, ils pourraient constituer une fraction importante, voire dominante, de la matière noire.

Cette idée pourrait également être liée à l’une des énigmes observationnelles les plus intrigantes de ces dernières années.

Le télescope spatial James Webb (JWST) a révélé l’existence, dans l’Univers primordial, d’une population d’objets compacts et extrêmement rouges, parfois appelés « petits points rouges ». Ces sources astronomiques apparaissent étonnamment massives et lumineuses seulement quelques centaines de millions d’années après le Big Bang.

De nombreux astronomes soupçonnent qu’elles sont associées à des trous noirs en croissance rapide – peut-être les germes des trous noirs supermassifs que l’on trouve aujourd’hui au centre des galaxies. Mais leur existence est difficile à expliquer dans le cadre de la cosmologie standard. Comment des objets aussi massifs ont-ils pu se former si rapidement ?

Les trous noirs reliques apportent une explication naturelle. Si des germes massifs existaient déjà immédiatement après le Big Bang, l’Univers primordial n’aurait pas eu besoin de repartir de zéro. Les trous noirs supermassifs pourraient provenir d’anciens survivants plutôt que d’objets nouvellement formés. En ce sens, le JWST pourrait déjà entrevoir les descendants de vestiges pré-rebond.

Une vue d’artiste d’un trou de ver. © ktsdesign, Shutterstock

Un nouveau cadre cosmologique

Dans leur ensemble, les hypothèses du rebond offrent une approche unifiée pour aborder plusieurs problèmes cosmologiques de longue date :

la singularité du Big Bang est remplacée par une transition quantique. Cette transition pourrait être liée au concept de « pont d’Einstein-Rosen » : un lien mathématique entre deux régions distinctes de l’espace-temps ;l’inflation émerge naturellement de la dynamique au voisinage du rebond ;l’énergie sombre peut être liée à la structure globale d’un Univers fini ;la matière noire pourrait être composée de trous noirs reliques ; peut-être notre Univers a-t-il commencé comme tel ;les ondes gravitationnelles pourraient porter des traces d’une phase cosmique antérieure ;les trous noirs supermassifs pourraient avoir des origines anciennes, compatibles avec les récentes observations du JWST.

Il reste encore beaucoup de travail à accomplir. Ces hypothèses doivent être confrontées aux données – qu’il s’agisse du fond diffus cosmologique, des relevés de galaxies ou des mesures précises du fond diffus cosmologique.

Mais la possibilité est profonde : l’Univers n’aurait peut-être pas eu un seul commencement, mais aurait pu rebondir. Et les structures obscures qui façonnent les galaxies aujourd’hui pourraient être des vestiges d’une époque antérieure au Big Bang.