Les physiciens ont développé une nouvelle méthode pour étudier la matière noire à l’aide de détecteurs d’ondes gravitationnelles, révélant potentiellement les effets des particules de matière noire sur les étoiles à neutrons. Cette approche offre de nouvelles connaissances sur la matière noire, dépassant la portée des détecteurs actuels et ouvrant la voie à de futures découvertes grâce à des observatoires d’ondes gravitationnelles avancés.
La matière noire est fondamentale pour notre compréhension de l’Univers, mais sa nature exacte reste un mystère. Découvrir l’identité de la matière noire est un objectif crucial en cosmologie et en physique des particules.
Un effort collaboratif de physiciens du Tata Institute of Fundamental Research, de l’Indian Institute for Science et de l’Université de Californie à Berkeley a introduit une nouvelle méthode pour étudier la matière noire. Cette méthode utilise la recherche d’ondes gravitationnelles pour détecter les effets potentiels de la matière noire sur les étoiles à neutrons.
Nouvelle méthodologie expliquée
Sulagna Bhattacharya, étudiante diplômée au TIFR et auteur principal de l’étude publiée dans Lettres d’examen physique, explique — les particules de matière noire de la galaxie peuvent s’accumuler dans les étoiles à neutrons en raison de leurs interactions non gravitationnelles. Les particules accumulées forment un noyau dense qui s’effondre en un minuscule trou noir dans le scénario où la particule de matière noire est lourde et n’a pas d’équivalent antiparticule ; un scénario qui s’est avéré difficile à tester autrement dans des expériences en laboratoire.
Pour une large plage autorisée de masse de particules de matière noire, le trou noir initial consomme son hôte étoile à neutrons et le transmute en un trou noir de masse d’étoile à neutrons. Fondamentalement, les théories de l’évolution stellaire prédisent que les trous noirs se forment lorsque les étoiles à neutrons dépassent environ 2,5 fois la masse du Soleil, comme codé dans la limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, mais ici la matière noire conduit à des trous noirs de faible masse qui sont généralement plus petits. que l’étoile à neutrons maximale.
Graphique des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme sondes de matière noire. Crédit : Basudeb Dasgupta
Anupam Ray, qui a codirigé les travaux, souligne que « pour les paramètres de matière noire qui ne sont encore exclus par aucune autre expérience, les anciens systèmes binaires d’étoiles à neutrons situés dans les régions denses de la galaxie auraient dû évoluer vers des systèmes binaires de trous noirs. Si nous ne constatons aucune fusion anormalement faible, cela impose de nouvelles contraintes à la matière noire.
Relier la matière noire et les trous noirs
Curieusement, certains des événements détectés par LIGO, par exemple GW190814 et GW190425, semblent impliquer au moins un objet compact de faible masse. Une suggestion alléchante, basée sur les travaux pionniers de Hawking et Zeldovich des années 1960, est que les trous noirs de faible masse pourraient être d’origine primordiale, c’est-à-dire créés par des fluctuations de densité extrêmement rares mais importantes dans le tout premier univers.
Motivée par ces considérations, la collaboration LIGO a entrepris des recherches ciblées de trous noirs de faible masse et fixé des limites. La présente étude de Bhattacharya et de ses collaborateurs montre que la même non-détection de fusions de faible masse par LIGO impose également des contraintes strictes sur la matière noire des particules.
Les contraintes présentées dans cette étude ont une valeur significative, car elles explorent un espace de paramètres bien au-delà de la portée des détecteurs terrestres de matière noire actuels comme XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, en particulier pour les particules lourdes de matière noire.
L’avenir des observations d’ondes gravitationnelles
Les fusions de trous noirs de faible masse devraient être détectables non seulement à l’aide des détecteurs d’ondes gravitationnelles existants tels que LIGO, VIRGO et KAGRA, mais également à l’aide de détecteurs à venir comme Advanced LIGO, Cosmic Explorer et le télescope Einstein. En considérant les améliorations prévues des expériences actuelles sur les ondes gravitationnelles et en tenant compte de leur sensibilité et de leur temps d’observation accrus, l’étude prévoit les contraintes qui pourraient être obtenues au cours de la prochaine décennie.
En particulier, l’étude montre que les observations d’ondes gravitationnelles peuvent sonder des interactions extrêmement faibles de matière noire lourde, bien en dessous du soi-disant « plancher de neutrinos » où les détecteurs de matière noire conventionnels doivent faire face aux fonds astrophysiques de neutrinos.
Au lieu de cela, si des trous noirs exotiques de faible masse étaient découverts à l’avenir, cela pourrait constituer un indice précieux sur la nature de la matière noire. Les auteurs concluent avec optimisme en notant que « les détecteurs d’ondes gravitationnelles, qui se sont déjà révélés utiles pour la détection directe des trous noirs et ondes gravitationnelles prédit par Einstein, pourrait également devenir un outil puissant pour tester les théories de la matière noire.
L’étude a été financée par le Département de l’énergie atomique (gouvernement indien), le Département des sciences et technologies (gouvernement indien) via une bourse Swarnajayanti, la Max-Planck-Gesellschaft via un groupe partenaire Max Planck, l’Institut indien des sciences. , Bengaluru, le Département des sciences et technologies (gouvernement indien), la National Science Foundation, la Fondation Heising-Simons et la Fondation Infosys (Bengaluru).
