Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour déterminer si les fusions de trous noirs se sont produites à l’intérieur de nuages denses de matière noire, ouvrant potentiellement une nouvelle voie pour étudier l’un des plus grands mystères de l’astronomie.
La matière noire est une forme invisible et hypothétique de matière qui, contrairement à la matière normale de tous les jours, n’a aucune interaction avec la force électromagnétique.
La matière noire peut traverser la lumière, les champs magnétiques et toute autre forme d’énergie du spectre électromagnétique sans laisser de trace.
La seule preuve de l’existence de la matière noire réside dans son interaction apparente avec une autre force : la gravité.
En observant comment la gravité se courbe autour des galaxies lointaines, les astronomes ont supposé qu’il devait y avoir une force supplémentaire, en dehors de la propre attraction gravitationnelle des galaxies, pour expliquer les champs de courbure, ou lentille.
Selon les physiciens, cette force supplémentaire est la matière noire, qui pourrait représenter plus de 85 % de la matière de l’Univers.
Mais ce qu’est exactement la matière noire fait l’objet d’un vaste débat, avec des théories sur les particules de matière noire qui varient considérablement en termes de taille et de propriétés.
Une classe de matière noire proposée est constituée de particules scalaires légères, dont les masses sont plusieurs ordres de grandeur plus légères qu’un électron.
Les théoriciens prédisent que cette matière noire devrait se comporter non seulement comme des particules, mais aussi comme des ondes coordonnées lorsqu’elle se déplace à proximité des trous noirs.
Lorsque des vagues de matière noire entrent en contact avec un trou noir en rotation rapide, ils prédisent que l’énergie de rotation du trou noir peut être transférée à la matière noire, l’amplifiant ainsi.
Ce phénomène, connu sous le nom de superradiance, soulèverait les vagues jusqu’à atteindre des densités extrêmement élevées de matière noire, un peu comme si on barattait de la crème pour en faire du beurre.
À des densités suffisamment élevées, la matière noire scalaire légère, invisible selon tous les autres modèles, devrait laisser une empreinte sur les ondes gravitationnelles qui se répercutent sur les trous noirs en collision.
Mais à quoi ressemblerait exactement cette empreinte ? Et une telle empreinte pourrait-elle être détectable dans les ondes gravitationnelles qui arrivent sur Terre, provenant de trous noirs qui ont fusionné à plusieurs millions d’années-lumière ?
Pour répondre à ces questions, le physicien du MIT Josu Aurrekoetxea et ses collègues ont développé un modèle permettant de prédire la forme d’onde gravitationnelle, ou le modèle d’ondes gravitationnelles que produiraient deux trous noirs s’ils entraient en collision dans un environnement de matière noire plutôt que dans le vide.
« Nous savons que la matière noire est autour de nous. Elle doit simplement être suffisamment dense pour que nous puissions voir ses effets », a déclaré le Dr Aurrekoetxea.
« Les trous noirs fournissent un mécanisme permettant d’augmenter cette densité, que nous pouvons désormais rechercher en analysant les ondes gravitationnelles émises lors de leur fusion. »
Les chercheurs ont examiné les signaux d’ondes gravitationnelles enregistrés au cours des trois premières périodes d’observation de LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), le réseau mondial d’observatoires qui détectent les ondes gravitationnelles provenant des fusions de trous noirs et d’autres sources astrophysiques lointaines.
Sur 28 des signaux les plus clairs, ils ont découvert que 27 provenaient de trous noirs fusionnés dans le vide.
Mais le motif d’un signal, GW 190728, montrait des signes possibles d’une empreinte de matière noire.
Les scientifiques soulignent qu’ils n’ont pas détecté de matière noire.
La nouvelle méthode offre plutôt une nouvelle façon de filtrer les données sur les ondes gravitationnelles à la recherche d’indices de matière noire, que les physiciens peuvent ensuite suivre et confirmer avec d’autres techniques.
« La signification statistique de ceci n’est pas suffisamment élevée pour prétendre à une détection de matière noire, et des contrôles supplémentaires devraient être effectués par des groupes indépendants », a déclaré le Dr Aurrekoetxea.
« Ce qu’il nous semble important de souligner, c’est que sans modèles de forme d’onde comme le nôtre, nous pourrions détecter des fusions de trous noirs dans des environnements de matière noire, mais les classer systématiquement comme s’étant produites dans le vide. »
« Nous avons désormais le potentiel de découvrir de la matière noire autour des trous noirs, car les détecteurs LVK continueront à collecter des données dans les années à venir », a déclaré le Dr Soumen Roy, chercheur à l’Université catholique de Louvain et à l’Observatoire royal de Belgique.
« C’est une période passionnante pour rechercher une nouvelle physique utilisant les ondes gravitationnelles. »
« Utiliser des trous noirs pour rechercher la matière noire serait fantastique », a ajouté le Dr Rodrigo Vicente, chercheur à l’Université d’Amsterdam.
« Nous serions capables de sonder la matière noire à des échelles beaucoup plus petites que jamais. »
Les résultats paraissent aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters.
