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De nouveaux tests donnent des signatures faisant office de preuves irréfutables concernant la matière noire et la gravité modifiée

Les ondes gravitationnelles permettent aux astronomes de sonder l’origine possible de phénomènes qui ne peuvent être expliqués que par la présence de matière noire ou par des modifications des lois de la gravité. Des recherches de l’UE ont mis en évidence des signatures témoins qui pourraient permettre d’identifier des particules, des forces et des champs n’ayant pas encore été découverts.

Recherche fondamentale
Espace

La découverte des ondulations produites dans l’espace-temps par une collision entre deux trous noirs donne raison à Einstein, mais elle va aussi bien au-delà: elle offre aux astronomes un outil pour tester une nouvelle physique. Les ondes gravitationnelles pourraient nous éclairer sur des mystères tels que l’énergie noire et la matière noire, qui ne sont pas couverts par le modèle standard. Par ailleurs, elles pourraient aider les astronomes à décrire la gravité selon les principes de la mécanique quantique.

Modifier la théorie de la gravité d’Einstein

Le projet StronGrHEP s’est penché sur l’idée consistant à étendre la relativité générale d’Einstein au travers d’une nouvelle théorie, baptisée gravité du tenseur scalaire, qui suggère que l’Univers est rempli d’un champ supplémentaire qui n’a pas encore été détecté. Ces recherches ont été entreprises avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie. Cela signifie que l’explosion de la supernova d’une étoile en fin de vie ne serait pas seulement visible sous la forme d’un sursaut d’ondes gravitationnelles, mais qu’il existerait un effet rémanent des ondes gravitationnelles qu’il nous serait possible de détecter. «Nous pourrions orienter l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) vers les régions du ciel où des étoiles ont explosé – par exemple dans la supernova de Kepler – pour essayer de détecter un tel effet rémanent, dû au champ scalaire, susceptible de persister pendant des siècles après l’explosion proprement dite», note Ulrich Sperhake, coordinateur du projet.

Les trous noirs, messagers des théories modifiées de la gravité

«Lorsque deux trous noirs entrent en collision, ils fusionnent en un seul trou noir qui résonne comme une cloche frappée avec un marteau, envoyant des ondes gravitationnelles. Ces ondes gravitationnelles contiennent des fréquences spécifiques (tonalités), qui s’apparentent aux notes individuelles composant un accord musical. Le spectre des fréquences de ces tonalités fait office d’empreinte digitale permettant d’identifier un trou noir et la théorie de la gravité qui régit ses oscillations», explique Ulrich Sperhake. Les astronomes peuvent détecter les signaux s’ils restent au-dessus du seuil de sensibilité de LIGO/VIRGO. L’équipe du projet a calculé une tonalité de ce type à partir de l’horizon des événements d’un trou noir binaire – son intensité serait plus faible que celle détectée en 2015. Cette empreinte permettra de repérer ou de rejeter les signes d’échos d’ondes gravitationnelles provenant d’imitations de trous noirs – des objets compacts exotiques comme des trous de ver qui n’ont pas d’horizon des événements. Ces données serviront de base pour effectuer des tests approfondis sur la théorie de la gravité et pour éventuellement trouver des preuves de ses défaillances partielles. La toute première image d’un trou noir obtenue par le télescope Event Horizon en 2019 pourrait également signaler une modification de la gravité. L’image était conforme aux prédictions théoriques: les trous noirs sont des zones d’ombre sombres entourées d’une couronne de lumière émise par différentes régions du disque d’accrétion. L’extrême gravité du trou noir fait dévier la lumière, ce qui donne au disque l’apparence d’un casque. L’équipe a exploré en détail ces ombres de trous noirs à travers la gravité modifiée. Les images obtenues ont révélé une structure remarquablement complexe évoquant les images fractales.

Des candidats extrêmement plausibles pour la matière noire

«Les ombres des trous noirs pourraient également être affectées par la présence de matière noire», ajoute Ulrich Sperhake. L’équipe a modélisé ce à quoi les ombres pourraient ressembler si les axions (des particules subatomiques) théoriques étaient présents. Les champs bosoniques très faibles constituent une autre catégorie de candidats attrayants pour la matière noire. S’ils existent, ils devraient se condenser autour de trous noirs en rotation et former des nuages. «Tout comme les océans sur Terre, ces nuages sont affectés par les forces de marée induites par d’autres corps massifs. Nous avons montré que lorsque ces marées sont suffisamment importantes, les nuages sont arrachés à leur trou noir hôte, au cours d’un violent événement de perturbation lié à l’effet de marée», conclut Ulrich Sperhake.

Mots‑clés

StronGrHEP, trou noir, ondes gravitationnelles, matière noire, gravité modifiée, modèle standard, théorie tenseur-scalaire

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