Une recherche fournit des signes révélateurs de la présence de matière noire et de l’empreinte des trous noirs sur les ondes gravitationnelles
La découverte historique de la première preuve directe d’ondes gravitationnelles ou d’ondulations dans l’espace‑temps produites par la collision de trous noirs ouvre une nouvelle fenêtre précieuse sur la physique exotique des premiers instants obscurs de l’Univers. Les ondes gravitationnelles pourraient permettre de faire la lumière sur des mystères profonds tels que la nature de la matière noire. Qui plus est, elles pourraient offrir un moyen d’intégrer la gravité dans la mécanique quantique. La gravité quantique soulèverait des questions fascinantes: Une description classique des trous noirs quantiques resterait‑elle une bonne approximation? «Certains effets quantiques pourraient même empêcher la formation de trous noirs», fait remarquer Vitor Cardoso, coordinateur du projet MaGRaTh, financé par l’UE. MaGRaTh a été mis sur pied pour faire des prédictions précises de tous ces phénomènes physiques fondamentaux qui pourraient être testés à l’aide des données relatives aux ondes gravitationnelles.
Les trous noirs existent‑ils vraiment?
L’observation d’objets astrophysiques présentant de puissants champs gravitationnels et, par conséquent, de grandes courbures de l’espace‑temps, pourrait indiquer la présence de nouveaux champs fondamentaux et de particules jusqu’alors inconnues. La quête de réponses liées à la physique sous‑jacente des champs gravitationnels forts a orienté les recherches du projet MaGRaTh vers les frontières entre les trous noirs et la matière noire. «Nous avons cherché à comprendre comment les champs gravitationnels forts se comportent à proximité d’objets massifs tels que les trous noirs. Les données relatives aux ondes gravitationnelles ont‑elles réellement révélé la présence de trous noirs? Si tel est le cas, comment la matière réagit‑elle à proximité de ces objets massifs?» s’interroge Vitor Cardoso. Si les trous noirs existent vraiment, ils devraient constituer le laboratoire idéal pour étudier le milieu environnant. «Ils pourraient incarner les détecteurs idéaux de nouveaux types de matière qui s’ajoutent à la gravitation causée par la matière visible — ils pourraient en réalité être la matière noire cachée», ajoute Vitor Cardoso.
Éliminer les imitateurs de trous noirs
MaGRaTh a rapporté des résultats surprenants qui prouvent que les objets sombres et massifs émettant des ondes gravitationnelles pourraient effectivement être des trous noirs. «Les trous noirs sont connus pour leur capacité à avaler la lumière ou tout ce qui se trouve sur leur chemin. Les radiations/particules, aspirées au‑delà d’un point appelé horizon des événements, subissent ce même sort», explique Vitor Cardoso. L’existence d’un horizon des événements constitue la différence distinctive entre les trous noirs et les objets compacts exotiques qui semblent agir comme des trous noirs. «Nous avons découvert que les imitateurs de trous noirs produisent des “échos” dans les ondes gravitationnelles émises. Ces signaux d’écho sont des versions plus faibles de la salve principale et présentent un spectre de fréquence différent. Il est important de noter qu’ils constituent une preuve irréfutable de l’existence des imitateurs de trous noirs.»
Résoudre les équations d’Einstein pour de nouvelles formes de matière
Les chercheurs ont utilisé les équations d’Einstein pour décrire le comportement de ces imitateurs de trous noirs, qui apparaissent dans les données relatives aux ondes gravitationnelles, et étudier leurs différences par rapport aux trous noirs. Pour aller plus loin, Vitor Cardoso et son équipe ont effectué des simulations pour modéliser le comportement de la matière non standard autour des trous noirs. «Si de nouvelles formes de matière existent, quelle est leur empreinte sur les trous noirs?» s’interroge Vitor Cardoso. Il s’agit d’une question passionnante mais complexe; les équations d’Einstein sont non linéaires et deviennent beaucoup plus compliquées en l’absence d’approximations pour les résoudre. Les résultats du projet concernant les interactions entre la matière noire et les trous noirs sont rapportés dans de nombreuses publications. «Nous avons été surpris de découvrir que certains types de matière noire peuvent aspirer presque toute l’énergie de rotation des trous noirs, ce qui les ralentit vraiment», note Vitor Cardoso. Les données de MaGRaTh fournissent des signatures claires pour une physique nouvelle. Les recherches semblent renforcer les hypothèses de l’équipe concernant la présence de trous noirs et pourraient éventuellement aider les astronomes à découvrir ou à écarter des candidats à la matière noire. «Les simulations sur superordinateur constituent une grande partie de notre travail, mais nous fournissons l’imagination et gérons entièrement l’élaboration des conséquences!» conclut Vitor Cardoso.
Mots‑clés
MaGRaTh, trous noirs, matière noire, onde gravitationnelle, imitateurs de trous noirs, signal d’écho
