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Des “ molécules gravitationnelles ” étranges pourraient orbiter des trous noirs comme des électrons tourbillonnant autour des atomes

Des `` Molécules Gravitationnelles '' étranges Pourraient Orbiter Des Trous

Les trous noirs sont remarquables pour beaucoup de choses, en particulier leur simplicité. Ce ne sont que… des trous. Ce sont des «noirs». Cette simplicité nous permet de faire des parallèles surprenants entre les trous noirs et d’autres branches de la physique. Par exemple, une équipe de chercheurs a montré qu’un type spécial de particule peut exister autour d’une paire de trous noirs de la même manière qu’un électron peut exister autour d’une paire d’atomes d’hydrogène – le premier exemple d’une «molécule gravitationnelle». Cet objet étrange peut nous donner des indices sur l’identité de la matière noire et la nature ultime de l’espace-temps.

Labourer le champ

Pour comprendre comment la nouvelle recherche, publiée en septembre dans la base de données de pré-impression arXiv, explique l’existence d’une molécule gravitationnelle, nous devons d’abord explorer l’un des aspects les plus fondamentaux – et malheureusement presque jamais abordés – de la modernité. physique: le terrain.

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Un champ est un outil mathématique qui vous indique ce que vous pourriez vous attendre à trouver en voyageant d’un endroit à l’autre dans l’univers. Par exemple, si vous avez déjà vu un bulletin météo télévisé sur les températures dans votre région, vous regardez une représentation conviviale d’un champ: lorsque vous vous déplacez dans votre ville ou votre état, vous saurez quel type de les températures que vous êtes susceptible de trouver, et où (et si vous devez apporter une veste).

Ce type de champ est connu sous le nom de champ “scalaire”, car “scalaire” est la manière mathématique sophistiquée de dire “juste un nombre unique”. Il existe d’autres types de champs dans le domaine de la physique, comme les champs “vectoriels” et les champs “tensoriels”, qui fournissent plus d’un nombre pour chaque emplacement dans l’espace-temps. (Par exemple, si vous voyez une carte de la vitesse et de la direction du vent éclaboussée sur votre écran, vous regardez un champ vectoriel.) Mais pour les besoins de ce document de recherche, nous avons seulement besoin de connaître le type scalaire.

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Le couple de puissance atomique

À l’apogée du milieu du XXe siècle, les physiciens ont adopté le concept du champ – qui existait depuis des siècles à ce moment-là et qui était absolument obsolète pour les mathématiciens – et sont allés en ville avec.

Ils ont réalisé que les champs ne sont pas seulement des gadgets mathématiques pratiques – ils décrivent en fait quelque chose de super-fondamental sur le fonctionnement interne de la réalité. Ils ont découvert, fondamentalement, que tout dans l’univers est vraiment un champ.

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Prenez l’humble électron. Nous savons grâce à la mécanique quantique qu’il est assez difficile de déterminer exactement où se trouve un électron à un moment donné. Lorsque la mécanique quantique est apparue pour la première fois, c’était un gâchis assez méchant à comprendre et à démêler, jusqu’à ce que le domaine arrive.

En physique moderne, nous représentons l’électron comme un champ – un objet mathématique qui nous indique où nous sommes susceptibles de repérer l’électron la prochaine fois que nous regardons. Ce champ réagit au monde qui l’entoure – disons, à cause de l’influence électrique d’un noyau atomique proche – et se modifie pour changer là où nous devrions voir l’électron.

Le résultat final est que les électrons ne peuvent apparaître que dans certaines régions autour d’un noyau atomique, donnant lieu à tout le domaine de la chimie (je simplifie un peu, mais vous voyez mon point).

Copains de trou noir

Et maintenant la partie trou noir. En physique atomique, vous pouvez décrire complètement une particule élémentaire (comme un électron) en termes de trois nombres: sa masse, son spin et sa charge électrique. Et en physique gravitationnelle, on peut décrire complètement un trou noir en trois nombres: sa masse, son spin et sa charge électronique.

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Coïncidence? Le jury est sur celui-là, mais pour le moment, nous pouvons exploiter cette similitude pour mieux comprendre les trous noirs.

Dans le langage jargon de la physique des particules que nous venons d’explorer, vous pouvez décrire un atome comme un petit noyau entouré par le champ d’électrons. Ce champ électronique répond à la présence du noyau et ne permet à l’électron d’apparaître que dans certaines régions. Il en va de même pour les électrons autour de deux noyaux, par exemple dans une molécule diatomique comme l’hydrogène (H2.)

Vous pouvez décrire l’environnement d’un trou noir de la même manière. Imaginez la minuscule singularité d’un cœur noir quelque peu semblable au noyau d’un atome, tandis que l’environnement environnant – un champ scalaire générique – est similaire à celui qui décrit une particule subatomique. Ce champ scalaire répond à la présence du trou noir et permet à sa particule correspondante d’apparaître uniquement dans certaines régions. Et tout comme dans les molécules diatomiques, vous pouvez également décrire des champs scalaires autour de deux trous noirs, comme dans un système binaire de trous noirs.

Les auteurs de l’étude ont constaté que des champs scalaires peuvent effectivement exister autour des trous noirs binaires. De plus, ils peuvent se former dans certains modèles qui ressemblent à la façon dont les champs d’électrons s’organisent en molécules. Ainsi, le comportement des champs scalaires dans ce scénario imite la façon dont les électrons se comportent dans les molécules diatomiques, d’où le surnom de «molécules gravitationnelles».

Pourquoi l’intérêt pour les champs scalaires? Eh bien, d’une part, nous ne comprenons pas la nature de la matière noire ou de l’énergie noire, et il est possible que l’énergie noire et la matière noire soient composées d’un ou plusieurs champs scalaires), tout comme les électrons sont constitués du champ électronique.

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Si la matière noire est effectivement composée d’une sorte de champ scalaire, alors ce résultat signifie que la matière noire existerait dans un état très étrange autour des trous noirs binaires – les mystérieuses particules sombres devraient exister sur des orbites très spécifiques, tout comme les électrons le font dans les atomes. Mais les trous noirs binaires ne durent pas éternellement; ils émettent un rayonnement gravitationnel et finissent par entrer en collision et fusionner en un seul trou noir. Ces champs scalaires de matière noire affecteraient toutes les ondes gravitationnelles émises lors de telles collisions, car ils filtreraient, dévieraient et remodeleraient toutes les ondes traversant des régions de densité accrue de matière noire. Cela signifie que nous pourrions être en mesure de détecter ce type de matière noire avec une sensibilité suffisante dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles existants.

En bref: nous pourrions bientôt être en mesure de confirmer l’existence de molécules gravitationnelles, et à travers cela d’ouvrir une fenêtre sur le secteur sombre caché de notre cosmos.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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