T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Une équipe de chercheurs propose une nouvelle théorie qui combine certains des phénomènes les plus mystérieux de l’Univers : les trous noirs, les ondes gravitationnelles et les axions. Cette théorie pourrait bien résoudre l’un des problèmes les plus déroutants de la physique moderne.

Ces dernières années ont été incroyables pour la physique. En 2012, les scientifiques découvraient le boson de Higgs après cinquante années de recherches. En 2016 ce fut le tour des ondes gravitationnelles, théorisées par Einstein il y a cent ans. Et cette année nous devrions normalement prendre la toute première photo d’un trou noir. Du coup, certains théoriciens se sont demandé pourquoi ne pas combiner les idées les plus folles de la physique en une seule. Et si nous tentions de détecter la matière noire rayonnant des trous noirs à travers leurs ondes gravitationnelles ? L’idée est en fait loin d’être folle.

Quelques rappels : un trou noir est un objet céleste si compact que l’intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. Ces derniers maintiennent de puissants champs gravitationnels qui produisent des ondes gravitationnelles lorsqu’ils entrent en collision les uns avec les autres. Confirmées pour la première fois l’an dernier, mais prédites par Einstein il y a plus d’un siècle, les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de l’espace-temps qui émanent donc des événements les plus violents et explosifs dans l’Univers.

Concernant les axions, c’est un peu plus compliqué, car contrairement aux trous noirs et aux ondes gravitationnelles qui sont bien réels, nous ne sommes pas sûrs que les axions existent. Ce sont des particules hypothétiques très légères et électriquement neutres qui pourraient constituer la matière non visible de l’univers. Pour vous donner une idée (même si celle-ci dépasse l’entendement), l’axion est pensé pour avoir une masse environ un milliard de milliard de fois inférieure à celle de l’électron. Et si nous pouvions un jour prouver leur existence, ces particules super-légères pourraient résoudre certains problèmes théoriques majeurs avec le modèle standard de la physique.

Une équipe de physiciens dirigée par Asimina Arvanitaki et Masha Baryakhtar de l’Institut Perimeter pour la physique théorique, au Canada, ont en fait récemment proposé une théorie selon laquelle si les axions existent bel et bien et qu’ils sont effectivement électriquement neutres, alors ils pourraient être produits sous la forme de vastes nuages de particules produites par la rotation de trous noirs. Selon ces chercheurs, ce processus serait suffisant pour produire des ondes gravitationnelles comme celles qui ont été détectées l’an dernier et si tel était le cas, alors nous pourrions utiliser des détecteurs d’ondes gravitationnelles pour observer la signature de la matière noire et combler ainsi les lacunes du modèle standard.

Pour imager, imaginez un trou noir qui serait en fait le noyau au centre d’un atome gravitationnel géant et hypothétique. Les particules d’axions viendraient alors se coincer en orbite autour de ce noyau, un peu comme les électrons que l’on connaît autour du noyau d’un atome régulier. Là où les électrons interagissent par l’intermédiaire de l’électromagnétisme, de sorte qu’ils permettent des ondes électromagnétiques ou des ondes lumineuses, les axions interagissent quant à eux par l’intermédiaire de la gravité, de sorte qu’ils permettent l’émergence des ondes gravitationnelles.

Si un axion s’égare trop près de l’horizon des événements de trou noir, la rotation du trou le surchargera en raison d’un processus appelé superradiance qui multiplie les photons (rayons lumineux) comme cela a pu être constaté dans des expériences passées. Cela mènera à une multiplication des axions dans un trou noir. Ce processus pourrait générer 10 ^ 80 axions, soit le même nombre d’atomes dans l’univers entier, mais autour d’un seul et unique trou noir.

Ces quantités phénoménales d’axions formeraient ainsi d’énormes vagues quantiques, un peu comme les nuages d’électrons observés dans un atome. Au sein de ce nuage, tous les axions qui entreraient en collision les uns contre les autres produiraient alors ce qu’on appelle des « gravitons », une autre particule hypothétique pensée pour servir de médiateur de la force de gravitation. Les gravitons seraient alors aux ondes gravitationnelles ce que les photons sont à la lumière.

Selon les chercheurs, avec une sensibilité améliorée, des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme LIGO devraient être en mesure de repérer des milliers de ces signaux dans les années à venir, leur donnant enfin un moyen d’observer la signature de la mystérieuse matière noire qui nous échappe depuis tant d’années.

Source: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.95.043001  ,  https://sciencepost.fr/2017/03/nouvelle-theorie-relie-trous-noirs-matiere-noire-ondes-gravitationnelles/

 

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