Illustration d’artiste de deux étoiles à neutrons en fusion. Crédit : NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Les fusions d’étoiles à neutrons constituent un trésor pour de nouveaux signaux physiques, avec des implications pour déterminer la véritable nature de la matière noire, selon une étude de l’Université Washington de Saint-Louis.
Le 17 août 2017, l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO), aux États-Unis, et Virgo, un détecteur en Italie, a détecté ondes gravitationnelles de la collision de deux étoiles à neutrons. Pour la première fois, cet événement astronomique a été non seulement entendu dans les ondes gravitationnelles, mais également observé dans la lumière par des dizaines de télescopes au sol et dans l’espace.
Recherche sur les particules de type axion
Le physicien Bhupal Dev du département Arts & Sciences a utilisé les observations de ce étoile à neutrons fusion – un événement identifié dans les cercles astronomiques comme GW170817 – pour dériver de nouvelles contraintes sur les particules de type axion. Ces particules hypothétiques n’ont pas été observées directement, mais elles apparaissent dans de nombreuses extensions du modèle standard de la physique.
Les axions et les particules de type axion sont les principaux candidats pour composer une partie ou la totalité de la matière « manquante », ou matière noire, de l’univers que les scientifiques n’ont pas encore été en mesure d’expliquer. À tout le moins, ces particules à faible interaction peuvent servir de sorte de portail, reliant le secteur visible que les humains connaissent bien au secteur sombre inconnu de l’univers.
« Nous avons de bonnes raisons de soupçonner qu’une nouvelle physique au-delà du modèle standard pourrait se cacher au coin de la rue », a déclaré Dev, premier auteur de l’étude dans Lettres d’examen physique et membre du corps professoral du McDonnell Center for the Space Sciences de l’université.
Aperçu des fusions d’étoiles à neutrons
Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, un reste chaud et dense se forme pendant une brève période. Ces restes constituent un terrain fertile idéal pour la production de particules exotiques, a déclaré Dev. « Le reste devient beaucoup plus chaud que les étoiles individuelles pendant environ une seconde avant de se stabiliser dans une plus grande étoile à neutrons ou dans un trou noiren fonction des masses initiales », a-t-il déclaré.
Des étoiles à neutrons condamnées tournent vers leur disparition dans cette animation, qui représente des phénomènes observés jusqu’à neuf jours après GW170817. Crédit: NASACentre de vol spatial Goddard/Laboratoire CI de
Ces nouvelles particules échappent discrètement aux débris de la collision et, loin de leur source, peuvent se désintégrer en particules connues, généralement des photons. Dev et son équipe – dont Steven Harris, ancien élève de WashU (maintenant boursier NP3M à l’Université d’Indiana), ainsi que Jean-François Fortin, Kuver Sinha et Yongchao Zhang – ont montré que ces particules échappées donnent naissance à des signaux électromagnétiques uniques qui peuvent être détectés par télescopes à rayons gamma, comme le Fermi-LAT de la NASA.
L’équipe de recherche a analysé les informations spectrales et temporelles de ces signaux électromagnétiques et a déterminé qu’elle pouvait distinguer les signaux du fond astrophysique connu. Ensuite, ils ont utilisé les données Fermi-LAT sur GW170817 pour dériver de nouvelles contraintes sur l’axion-photon couplage en fonction de la masse de l’axion. Ces contraintes astrophysiques sont complémentaires de celles issues des expériences de laboratoire, comme le Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), qui sonde une région différente de l’espace des paramètres des axions.
Perspectives d’avenir en physique des particules
À l’avenir, les scientifiques pourraient utiliser les télescopes spatiaux à rayons gamma existants, comme le Fermi-LAT, ou des missions à rayons gamma proposées, comme le télescope d’astrophysique des particules avancé (APT) dirigé par WashU, pour prendre d’autres mesures lors de collisions d’étoiles à neutrons et aider à améliorer leur compréhension des particules de type axion.
« Les environnements astrophysiques extrêmes, comme les fusions d’étoiles à neutrons, ouvrent une nouvelle fenêtre d’opportunité dans notre quête de particules du secteur sombre comme les axions, qui pourraient détenir la clé pour comprendre les 85 % manquants de toute la matière de l’univers », a déclaré Dev.
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du ministère de l’Énergie.
