Dans l'ergosphère d'un trou noir en rotation, les particules de matière noire se désintégrant par collision peuvent donner des photons gamma dont les énergies sont amplifiées. Cette image issue de calculs sur ordinateur montre un tel trou noir rayonnant en gamma. L'émission la plus intense, sur la gauche, correspond à la région du trou noir en rotation dans la direction de l'observateur. © Nasa, Goddard Jeremy Schnittman

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Découvrir la matière noire grâce aux trous noirs ?

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Des particules de matière noire se créeraient massivement autour des trous noirs en rotation. Elles s'annihileraient ensuite en entrant en collision, produisant des ondes gravitationnelles. Les astrophysiciens espèrent bien détecter ces dernières.

Parmi les candidats théoriques au titre de particules de matière noire, deux espèces occupent le haut du pavé :

  • les particules supersymétriques, qui seront peut-être découvertes dans un avenir indéterminé (certaines pourraient être accessibles aux énergies du LHC) ;

  • les axions, des particules associées à un nouveau champ postulé pour expliquer une bizarrerie (le fait que le neutron, bien que constitué de quarks chargés, ne semble pas avoir de moment électrique dipolaire). Les axions sont des particules neutres qui doivent avoir une très faible masse. Ils auraient dû être produits copieusement au moment du Big Bang ; il devrait donc y en avoir beaucoup dans l'univers observable. Ils restent cependant introuvables, y compris en observant le Soleil, qui devrait en produire.

Un groupe de théoriciens du fameux Institut Périmètre de physique théorique, un important centre de recherche scientifique fondé en 1999 à Waterloo (Ontario), au Canada, a récemment déposé sur arXiv un article ouvrant des perspectives fascinantes pour la détection des axions. Les chercheurs se sont rendu compte qu'il était peut-être possible de les détecter via une nouvelle astronomie naissante, celle des ondes gravitationnelles.

Le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Sa citation, à droite, signifie : « Si vous ne faites pas d'erreurs, c'est que vous ne travaillez pas sur des problèmes assez durs. Et ça, c'est une grave erreur ». Il a proposé l'existence d'une nouvelle particule, l'axion, qui constituerait peut-être une part importante de la matière noire. © Justin Knight Photography

Comment détecter les axions, ces particules de matière noire ?

Il faut savoir que les axions, ces particules de matière noire, devraient avoir un comportement particulier à proximité des trous noirs en rotation décrits par une solution des équations de la relativité générale d’Einstein appelée « la solution de Kerr ». Il est ainsi possible de montrer que des champs de particules baignant de tels trous noirs peuvent subir un effet dit « de superadiance », c'est-à-dire que ces champs sont amplifiés par la rotation des trous noirs auxquels ils empruntent de l'énergie. Cela a pour effet de faire diminuer la vitesse de rotation des astres compacts.

Dans le cas présent, la superadiance devrait avoir pour effet, au moins, d'augmenter considérablement le nombre d'axions autour du trou noir, lesquels pourraient entrer en collision et s'annihiler, un peu comme le feraient des électrons entrant en collision avec des positrons, leurs antiparticules.

Toutefois, au lieu de produire des photons gamma (voir l'article ci-dessous pour en savoir plus), ces collisions produiraient massivement des gravitons, les « photons » du champ de gravitation. Au final, ces paquets de gravitons (avec un spectre caractéristique qui dépend de la masse de l'axion) formeraient une émission continue d'ondes gravitationnelles en provenance des trous noirs.

Se servir des ondes gravitationnelles

Le signal serait, certes, moins intense que celui accompagnant la fusion de deux trous noirs, et donc plus difficile à détecter, mais il devrait être à la portée de aLigo, le détecteur d'ondes gravitationnelles états-unien, mais aussi, probablement, de aVirgo, son cousin européen. On pourrait donc mettre en évidence l'existence des axions et mesurer leur masse, ce qui nous donnerait une information précieuse pour comprendre la naissance des grandes structures rassemblant des galaxies dans l'univers.

Une autre manière (toutefois moins directe et plus laborieuse) de mettre en évidence les axions au moyen des ondes gravitationnelles est de se servir de ces ondes pour dresser une statistique des populations de trous noirs de Kerr, plus précisément d'établir une distribution de leurs vitesses de rotation.

En effet, le spectre des ondes gravitationnelles émis par les collisions de trous noirs de Kerr avec fusion dépend des masses de ces trous noirs mais aussi de leurs moments cinétiques, donc de leurs vitesses de rotation. Si le processus de superadiance est réel, il devrait limiter ces vitesses et la majorité des trous noirs stellaires ne devraient donc pas posséder de grandes vitesses de rotation.

Pour en savoir plus

L'émission gamma des trous noirs, clé de la matière noire ?

Article de Laurent Sacco publié le 28/06/2015

Il y a quelques années, les astrophysiciens avaient envisagé que certains trous noirs puissent jouer le rôle d'accélérateur de particules de matière noire provoquant des collisions qui auraient mené à leur annihilation et à l'émission de rayons gamma caractéristiques. Des simulations numériques précises soutiennent maintenant l'idée que les trous noirs seraient un bon moyen pour détecter les particules de matière noire indirectement.

La chasse aux particules de matière noire a repris dans les laboratoires terrestres avec le LHC. De leur côté, les physiciens des hautes énergies, qui s'occupent des astroparticules, multiplient les scénarios qui permettraient de découvrir ces particules de matière noire au moyen des objets et processus que l'on trouve en astrophysique. Il a ainsi récemment été proposé d'utiliser des naines blanches pour révéler la présence de la matière noire, notamment si celle-ci est partiellement constituée de mini trous noirs.

Depuis plusieurs années, d'autres chercheurs ont quant à eux proposé d'étudier les trous noirs supermassifs au cœur des grandes galaxies. On espérait en effet que ces trous noirs puissent servir à démontrer l'existence d'une classe particulière de particules de matière noire, des Wimp, capables de s'annihiler en donnant des photons gamma.

En effet, les chercheurs ont des raisons de penser que les particules de matière noire sont plus abondantes au centre des galaxies, et donc autour des trous noirs supermassifs. Ces objets sont décrits par une solution particulière des équations de la relativité générale qui concerne un trou noir en rotation.

Wimp, trous noirs et rayons gamma : quel est le rapport entre les trois ? Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard, YouTube

La matière noire trahie par le processus de Penrose collisionnel ?

Un trou noir de Kerr ne possède pas qu'un horizon des évènements sphérique, il est aussi composé d'une région en forme d'ellipsoïde de révolution aplati. Cette région qui l'entoure est appelée « ergosphère ». Lorsque l'on y pénètre, on se trouve invinciblement entraîné par un mouvement de rotation qui affecte l'espace-temps lui-même — et ce même en ayant un déplacement initialement radial en chute libre en direction du trou noir. Comme Roger Penrose l'a montré, il existe un processus qui permet d'extraire efficacement de fantastiques quantités d'énergie en envoyant un objet dans cette ergosphère. Le processus de Penrose, comme on l'appelle, a même été mis en scène dans le film Interstellar.

Il existe un phénomène similaire baptisé « processus de Penrose collisionnel ». Ce phénomène pouvait laisser penser que des Wimp s'annihilant dans l'ergosphère d'un trou noir supermassif de Kerr donnaient lieu à un rayonnement gamma bien mesurable. Selon l'hypothèse, le rayonnement en provenance de ce trou noir avait des photons caractéristiques de ce processus et qui étaient bien plus énergétiques qu'en cas d'annihilation loin de l'ergosphère. Les premiers calculs se sont toutefois révélés décevants à cet égard. L'énergie des photons était à peine augmentée et peu d'entre eux pouvaient s'échapper de l'ergosphère.

Nullement découragé, l'astrophysicien Jeremy Schnittman, du NASA's Goddard Space Flight Center, a décidé de mener un calcul rigoureux, et non pas de simples estimations, à partir de simulations numériques sur ordinateur. Il a ainsi pu tester ce qui pouvait se passer avec une population de centaines de millions de particules de matière noire sur des trajectoires très différentes.

Comme on peut le voir dans l'article qu'il a déposé sur arXiv à ce sujet, les résultats obtenus ont été spectaculairement différents. Non seulement l'énergie des photons gamma pouvait être 14 fois supérieure à celle que l'on attendait pour des Wimp s'annihilant en espace-temps presque plat, mais la quantité de ces photons quittant l'ergosphère était elle aussi plus importante, augmentant les chances de détecter un signal probant de l'existence de la matière noire au cœur des galaxies.

Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter.