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Une nouvelle particule, le boson ultraléger, pourrait tourbillonner autour des trous noirs, libérant des ondes gravitationnelles détectables

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace.

Une particule hypothétique connue sous le nom de boson ultraléger pourrait être responsable de matière noire.

Bien que le boson ultraléger ne soit pas directement observable, il pourrait s’agglutiner autour des trous noirs, déclenchant un mécanisme exotique qui le fait exploser – dans une explosion massive d’ondes gravitationnelles. Mieux encore: ces ondes gravitationnelles peuvent être détectables avec la prochaine génération de détecteurs.

Un peu de lecture légère

Nous ne savons pas de quoi sont constitués 85% de la masse de l’univers (bien que nous aurions aimé le faire). Nous l’appelons « matière noire », mais cela pourrait tout aussi bien être de la «matière invisible», car elle n’interagit en aucune façon avec la lumière, forme ou forme. En fait, la matière noire ne se disperse, ne réfléchit, n’absorbe, ne réfracte pas et n’a rien à voir avec le rayonnement.

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Mais ce que la matière noire a, c’est la gravité. Grâce à son attraction gravitationnelle, nous pouvons le voir affecter le comportement, le mouvement et l’évolution des galaxies.

Mais que pouvait être cette mystérieuse matière noire invisible? Les astronomes et les physiciens s’interrogent sur la question depuis des décennies et se concentrent lentement sur certaines réponses potentielles.

Plonger dans les candidats de la matière noire

Parmi les candidats, il y a une particule hypothétique appelée axion. L’axion a été proposé pour la première fois en 1977, avant même que nous sachions que la matière noire était une chose, et il a certaines propriétés qui le rendent attrayant et séduisant en tant que candidat à la matière noire.

D’une part, les axions peuvent être légers – très légers – ce qui leur permet d’inonder facilement l’univers. C’est exactement ce que nous attendons de la matière noire, car c’est après tout la forme de matière la plus dominante dans le cosmos.

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Deuxièmement, l’axion (et les particules théoriques liées à l’axion, comme les soi-disant «photons sombres», qui sont comme des axions mais peuvent porter une hypothétique cinquième force de la nature) n’interagit pas vraiment avec le rayonnement ou la matière normale, qui est encore un autre critère qui s’alignerait sur la matière noire.

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Bombe du trou noir

Candidat de matière noire en main, nous pouvons commencer à chercher des raisons de penser qu’elle pourrait réellement exister. L’axion, ou l’un de ses amis, fait-il une sorte de bruit ou d’agitation qui nous permet de le détecter?

Eh bien, selon un article récemment paru dans le journal de pré-impression arXiv, l’axion peut se transformer en bombe.

Et, si jamais vous avez voulu fabriquer une bombe axion (ou une « bombe trou noir »), vous avez de la chance, car je suis sur le point de vous dire comment.

Tout d’abord, vous commencez par un trou noir. Ensuite, assurez-vous que le trou noir tourne. La rotation des trous noirs peut faire glisser l’espace-temps autour d’eux, comme essayer de faire tourner une lourde table basse sur un tapis. Cette rotation peut transférer l’énergie de la rotation du trou noir à tout matériau environnant. Cela peut être une source d’énergie très utile: approchez-vous simplement d’un trou noir et utilisez sa rotation pour alimenter tout ce que vous voulez! (… en théorie du moins.)

Cela s’applique à tout – la matière régulière comme la matière noire. Et si la matière noire est faite d’axions, quelque chose de très spécial pourrait se produire à cause de cette rotation.

En fonction de la masse de la particule d’axion, lorsqu’elle s’approche d’un trou noir (ce qui n’est pas difficile à faire, à cause de l’attraction gravitationnelle du trou noir), cela peut déclencher une instabilité.

Les axions tourbillonnent, volent de l’énergie du trou noir et cette énergie supplémentaire les fait tourbillonner encore plus rapidement, se rapprochant encore plus du trou noir. Cela attire alors encore plus d’énergie vers les axions, les faisant tourbillonner de plus en plus vite.

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Ce processus est appelé «instabilité superradiante», mais je préfère le terme «bombe à trou noir».

Lire la suite: « Recherche de matière sombre avec des paléo-détecteurs« 

Mouvement dans le noir

Lorsqu’il s’agit d’axions (et de particules théoriques comme les axions), cette bombe ne produit pas d’éclair de lumière. Au lieu de cela, les axions se regroupent autour des trous noirs dans une configuration spécifique, s’organisant en pics et vallées qui ressemblent presque à des ondes stationnaires.

Ces ondes tournent avec le trou noir, devenant de plus en plus énergiques. Les rotations libèrent une énorme quantité d’ondes gravitationnelles – les ondulations subtiles de la gravité qui traversent constamment l’univers.

Nous avons détecté des ondes gravitationnelles avec des instruments comme LIGO et VIRGO depuis des années maintenant, mais ces instruments sont réglés sur les plus grands événements énergétiques, comme la collision de deux trous noirs ou d’étoiles à neutrons. Mais derrière ces événements très bruyants se cache un murmure général d’ondes gravitationnelles. Comme écouter le brouhaha d’un restaurant animé, ce fond est trop faible pour identifier les sources individuelles générant toutes les vagues – il suffit d’écouter le bruit.

En fonction de la masse exacte d’un axion (les modèles théoriques derrière les axions ne prédisent pas vraiment une masse ferme pour la particule), les bombes à trous noirs pourraient exploser tout le temps. Bien que puissant, chaque événement individuel serait trop faible pour que nous puissions le détecter directement avec LIGO ou LISA, mais cela contribuerait au contexte général.

Pour l’instant, il n’y a aucune preuve dans le fond des ondes gravitationnelles pour ces bombes à trou noir – et donc aucune preuve les reliant à la matière sombre derrière elles. Mais cette non-détection nous aide à comprendre ces modèles – si l’axion était plus lourd qu’une certaine masse (et que nous avons raison sur le fonctionnement des bombes à trous noirs), alors ils seraient déjà apparus en arrière-plan.

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La prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles sera encore plus sensible et nous pourrions bien voir notre première bombe à trou noir. Et, avec cela, notre première preuve concluante de l’identité de la matière noire.

Lire la suite: « Modélisation et recherche d’un fond d’ondes gravitationnelles stochastiques à partir de bosons vectoriels ultralégers« 

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