Les astrophysiciens ont démontré l'existence de la matière noire : cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, elle joue un rôle clé dans l'histoire de l'Univers et la formation des galaxies. Mais ils ignorent sa nature : s'agit-il de particules élémentaires inconnues ou de trous noirs « exotiques » ? En effet, les trous noirs formés à partir d'étoiles massives en fin de vie ne suffisent pas à rendre compte de toute la matière noire. Des théoriciens ont donc invoqué l'existence de trous noirs « primordiaux », formés dans l'Univers jeune, dont ils ne savent que peu de choses. Or la première détection d'ondes gravitationnelles par Ligo-Virgo en 2015 a renouvelé l'intérêt pour ces théories, avec la banalisation de trous noirs plus massifs que les trous noirs attendus, d'origine stellaire.

Pour étudier les trous noirs, les deux chercheurs ont eu l'idée d'observer des objets très brillants – les supernovae Ia – dont la luminosité est très bien connue. Quand un trou noir s'interpose entre la supernova et nous, il agit comme une loupe gravitationnelle et grossit l'image de l'astre. Or l'abondance des supernovae et leur répartition homogène dans l'Univers font d'elles un outil idéal pour cartographier l'Univers.

Au terme de l'analyse de plus de 1 300 supernovae dans l'Hémisphère Nord, le duo affirme que les trous noirs de masse supérieure à un centième de masse solaire ne peuvent pas peser pour plus de 40 % de la matière noire de l'Univers. La chasse aux trous noirs plus légers ou à des particules élémentaires exotiques doit continuer…

Uros Seljak est chercheur à l'Université de Californie à Berkeley où Miguel Zumalacarregui est boursier Marie-Curie.