Lorsque deux trous noirs fusionnent, l’objet résultant sonne comme une cloche sonnée, rayonnant des ondes gravitationnelles qui s’estompent selon un motif distinctif appelé ringdown. Selon la relativité générale, ce schéma ne devrait dépendre que de la masse et de la rotation du trou noir fusionné. Mais si un trou noir contient une structure supplémentaire – souvent appelée « cheveux » – provenant de la matière noire environnante, de champs exotiques ou d’une gravité modifiée, les cheveux devraient laisser leur propre empreinte digitale sur le signal. Des physiciens de l’Université de Nagoya et de l’Université de Kindai ont mis au point une méthode générale pour prédire cette empreinte digitale.
« Les poils d’un trou noir peuvent représenter la matière entourant le trou noir, ou des écarts par rapport au type de trou noir le plus simple prédit par la relativité générale », a déclaré le doctorat de l’Université de Nagoya. étudiante Ariadna Uxue Palomino Ylla, auteur principal de l’étude.
« Comme ceux-ci peuvent légèrement modifier le signal de sonnerie, détecter ou exclure ces changements pourrait nous donner une nouvelle façon de tester la gravité dans cette région extrême. »
Dans l’étude, les auteurs ont modélisé les cheveux des trous noirs comme un mince fluide anisotrope superposé aux trous noirs ordinaires de Schwarzschild et Kerr.
Ils ont ensuite utilisé le lien bien établi entre l’anneau d’un trou noir et les orbites de lumière courbées autour de lui pour calculer comment les cheveux modifieraient la fréquence d’oscillation de l’onde et son taux d’amortissement.
Ils ont constaté que ces deux propriétés ne changent pas du même montant.
L’écart entre eux est défini par la pression locale de la matière cachée sur l’orbite des photons, ce qui signifie que le modèle de la fréquence d’une sonnerie en fonction de sa vitesse de disparition pourrait révéler non seulement la présence de cheveux, mais aussi quelque chose sur leur composition.
« Les ondes annulaires pourraient non seulement montrer que quelque chose de plus affecte le trou noir ; la façon dont le signal change pourrait également nous donner des indices sur ce qu’est réellement cette matière cachée », a déclaré Palomino Ylla.
La méthode a été testée sur trois trous noirs théoriques connus et étendue aux trous noirs en rotation, où la lumière en orbite avec ou contre la rotation réagit différemment à la matière cachée.
« La rotation rend les calculs plus complexes car la lumière tournant autour de la rotation du trou noir se comporterait différemment de la lumière tournant contre lui », ont expliqué les chercheurs.
« La matière cachée modifierait également différemment la fréquence de sonnerie et la vitesse de disparition, en fonction de la direction de rotation. Le motif exact dépend du type de matière cachée impliquée. »
« Au lieu d’étudier chaque type possible de poils de trou noir à partir de zéro, la nouvelle méthode nous donne un moyen commun de prédire comment de la matière supplémentaire ou une nouvelle physique pourrait modifier l’anneau d’un trou noir. »
« Bien que les résultats soient des estimations préliminaires, cette méthode nous aide à savoir quoi rechercher si jamais nous repérons quelque chose d’étrange dans le signal d’un véritable trou noir. »
« À l’avenir, cette approche pourrait nous aider à utiliser ces ondes pour en savoir plus sur la taille, la rotation et les poils d’un trou noir à proximité. »
Les travaux de l’équipe apparaissent dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
