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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Matière noire : derniers résultats de sa chasse avec les ondes gravitationnelles des trous noirs

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[EN VIDÉO] 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. 

Depuis le début des années 2000, plusieurs scénarios ont été proposés pour tester l'existence de certaines particules de matière noire en utilisant des trous noirs. Le phénomène dit de superradiance avait en particulier été évoqué si ces particules sont ce que l'on appelle des bosons ultralégers. Les ondes gravitationnelles produites par des collisions de trous noirs ouvrent aujourd'hui concrètement de nouvelles perspectives à ce sujet.

Dès les années 1930, les rayons cosmiques ont permis de faire la découverte de nouvelles particules et dans les deux décennies qui suivirent, avant de pouvoir les produire en accélérateur, ils ont permis d'identifier le positron (l'antiparticule de l'électron), le muon et le méson de Yukawa. Près d'un demi-siècle après, on a vu l'essor des astroparticules où là aussi le cosmos observable et ses astres sont devenus des laboratoires pour découvrir et comprendre la physique de particules encore inconnues sur Terre parce que hors de portée des accélérateurs. Ces derniers ne permettant pas de monter suffisamment en énergie pour provoquer la naissance de particules très massives selon la fameuse formule d'Einstein E=mc2.

La même stratégie s'applique encore de nos jours et les astrophysiciens l'appliquent en particulier pour chasser les particules de matière noire. Ce domaine de recherche a été renouvelé par l'astronomie multimessager qui cherche à combiner des signaux observables de différentes natures. On utilise bien sûr les photons, des ondes radio aux rayons gamma, mais aussi les neutrinos et finalement ces dernières années les ondes gravitationnelles.

Toutefois, les ondes gravitationnelles seules permettent parfois de poser des contraintes sur certains modèles de particules de matière noire. On en voit un exemple avec un article publié dans Physical Review Letters, disponible sur arXiv. Il est le produit d'une équipe internationale de chercheurs qui a utilisé les analyses des ondes gravitationnelles détectées avec Ligo et Virgo et qui sont associées à 45 collisions de trous noirs dont les masses étaient comprises entre 10 et 70 fois celle du Soleil environ. Les sources nommées GW190412 et GW190517, qui ont été détectées en 2019 comme leurs noms l'indiquent, se sont révélées particulièrement intéressantes.

Les trous noirs en rotation, des sources d'énergie colossales

Mais pour comprendre de quoi il retourne il faut savoir que les particules de matière noire ne sont pas automatiquement très massives. Elles pourraient juste avoir des interactions de très, très faible intensité, bien moins que des neutrinos via la force nucléaire faible, avec les particules de matière normale, ce qui expliquerait qu'elles soient difficiles à produire ou à détecter sur Terre tout en étant donc très, très peu massives. Il existe également des modèles où ces particules ne sont pas complètement noires car elles posséderaient bien une charge électrique mais extrêmement faible par rapport à la charge élémentaire d'un électron ou d'un proton. Elles ne rayonneraient donc que très peu.

Dans le cas présent, les astrophysiciens ont continué d'explorer une voie permettant potentiellement de mettre en évidence ce genre de particules avec des trous noirs en rotation via un effet : la superradiance, dont Futura avait déjà parlé dans les articles précédents.

Certains trous noirs présentent au voisinage de leur horizon une « ergo-région » dans laquelle l'énergie de certaines particules de spin entier peut devenir négative. Roger Penrose a imaginé un processus tirant parti de cette structure pour en extraire de l'énergie. Nous décrivons le processus de Penrose et une application industrielle imaginée par Subrahmanyan Chandrasekhar. Puis nous expliquons la notion de superradiance qui est un phénomène analogue pour les champs de spin entier, champs électromagnétiques par exemple. Nous concluons en décrivant une application militaire qui pourrait intéresser les forces de l'Empire : les Black Hole Bombs. © Centre Henri Lebesgue

Il s'agit d'un phénomène lié à la physique des trous noirs découvert en 1971 par le légendaire physicien et cosmologiste russe Yakov Zel'dovich et dont la théorie sera développée en particulier par son collaborateur principal, Igor Novikov. On peut, en fait, faire remonter la possibilité du processus de superradiance au processus découvert quelques années plus tôt par le mathématicien et prix Nobel de physique Roger Penrose, qui avait montré comment extraire de l'énergie d'un trou noir de Kerr en rotation.

Un effet quantique avec la matière noire et un trou noir

Avec le processus de superradiance, un trou noir peut se mettre à amplifier un rayonnement constitué de particules en leur donnant une partie de son énergie. Certains bosons ultralégers qui pourraient expliquer la nature de la matière noire, comme les axions ou encore ceux postulés dans le cadre de la théorie de la matière noire floue, pourraient donc être produits en très grande quantité autour d'un trou noir.

Comme Futura l'expliquait dans l'un des précédents articles ci-dessous, cette idée n'est pas nouvelle, elle avait déjà commencé à être explorée pendant les années 2000. Elle conduisait notamment à un ralentissement conséquent de la rotation d'un trou noir puisqu'une partie de cette énergie de rotation était convertie en particules et en l'énergie de mouvement de ces particules. La superradiance pour des bosons scalaires est particulièrement importante si ce que l'on appelle la longueur d'onde de Compton d'une particule de masse m est de l'ordre de grandeur de la taille d'un trou noir, qui peut se compter en dizaines de kilomètres avec les trous noirs de Ligo et Virgo. L'existence de cette longueur est un effet quantique découlant de la dualité onde-particule. Une grande longueur d'onde implique une faible masse et inversement.

Mais ce qui a changé avec la découverte des ondes gravitationnelles, c'est qu'elles permettent non seulement d'estimer la masse des trous noirs avant la collision mais aussi leur moment cinétique. Or, comme les chercheurs l'ont montré dans l'article publié dans Physical Review Letters, les moments cinétiques des trous noirs associés à GW190412 et GW190517 sont beaucoup trop élevés pour un intervalle de masse de certains bosons ultralégers considérés comme des candidats possibles au titre de matière noire. Les bosons ultralégers sont en effet en mesure de ralentir fortement la rotation d'un trou noir en quelques milliers d'années seulement.

Techniquement, les masses de ces bosons pourraient être comprises entre 10-33 électronvolts et 1×10-6 électronvolts, ce qui est très faible lorsque l'on sait que la masse d'un proton est un peu inférieure à 109 électronvolts. D'après les chercheurs, pour les théories qu'ils ont considérées, les masses ne pourraient pas être comprises entre 10-13 électronvolts et 2×10-11 électronvolts.

On pourrait objecter que tout comme dans le cas de certains pulsars millisecondes, on a simplement observé des trous noirs récemment accélérés par une accrétion de matière mais tout calcul fait, ce genre de processus ne serait pas suffisant avec des valeurs réalistes et il serait donc peu probable.

La matière noire est-elle formée d'axions ? Des explications dans cette vidéo. 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 ». © PBS Space Time

  • L'axion fait partie des meilleurs candidats au titre de particule de matière noire. C'est un boson ultraléger se couplant faiblement à certaines autres particules. Des cousins de l'axion ont été aussi considérés.
  • Si ces particules existent, elles devraient être produites en grand nombre par un processus dit de superradiance juste autour des trous noirs de Kerr à partir de leur énergie de rotation.
  • Plusieurs mécanismes impliquent que le nuage de particules produit de cette façon va modifier les ondes gravitationnelles émises lors de collisions de ces trous noirs notamment.
  • Le signal caractéristique produit devrait être détectable dans un avenir proche, si ces théories sont justes.
Pour en savoir plus

Et si l'on découvrait la matière noire grâce aux trous noirs et aux ondes gravitationnelles ?

Des particules de matière noire se créeraient massivement autour des trous noirs en rotation. Plusieurs mécanismes impliquent qu'elles modifieraient notamment le spectre des ondes gravitationnelles dans le cas des trous noirs binaires sur le point d'entrer en collision. La signature résultante serait accessible aux détecteurs d'ondes gravitationnelles sur Terre dans un avenir proche.

Article de Laurent Sacco, publié le 8 mars 2019

Le bilan final des analyses du rayonnement fossile par les membres de la mission Planck ont fortement consolidé le modèle cosmologique standard, de sorte qu'il est devenu encore plus difficile de douter de l'existence de la matière noire et de l'expansion accélérée de l'univers observable. Toutefois, on sait bien que cette accélération pourrait ne pas être due à l'énergie noire et qu'elle pourrait ne pas faire intervenir, pour cette raison, la nouvelle physique.

Il n'est toujours pas possible de se passer de la matière noire, notamment en utilisant son alternative dans le royaume des galaxies de Hubble, la théorie Mond, pour faire naître ces galaxies et expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile. Mais on doit bien reconnaître que l'on va, pour le moment, de déception en déception avec les expériences menées pour chasser les particules de matière noire.

Ni le LHC ni AMS, et pas même les détecteurs enterrés comme Xenon, n'ont mis en évidence ces particules, et bien que l'on continue à les chercher avec ces instruments, les physiciens peuvent maintenant se tourner vers d'autres stratégies pour tenter de les découvrir. De nouvelles perspectives se sont en effet ouvertes avec la naissance de l'astronomie gravitationnelle et les spectaculaires succès de Ligo et Virgo couronnés par l'attribution d'un prix Nobel et de la médaille d’or du CNRS.

Plusieurs équipes de physiciens proposent depuis quelques temps de faire la détection indirecte des particules de matière noire en utilisant la physique des trous noirs et des émissions d'ondes gravitationnelles. Un des derniers travaux en date provient d'une équipe internationale de chercheurs qui a déposé un article en accès libre sur arXiv à ce sujet.

Une vue d'artiste du principe de la détection de certaines particules de matière noire en utilisant les ondes gravitationnelles produites par un trou noir binaire. © Daniel Baumann

Un nuage quantique de matière noire autour des trous noirs ?

L'idée de base est toujours la même que celle considérée par d'autres chercheurs il y a quelques années, et dont Futura avait déjà parlé dans les précédents articles ci-dessous : le phénomène de super-radiance de trous noirs de Kerr en rotation. De nouveau, on considère aussi une classe des nombreuses théories proposées pour expliquer la matière noire, en l'occurrence celles des particules qui se comportent plus ou moins comme des axions, des bosons très légers faiblement couplés à d'autres particules.

Le champ de ces bosons est excité au voisinage d'un trou noir en rotation de sorte que se crée un véritable nuage de ces particules, en théorie du moins, puisque nous ne savons pas s'ils existent et si le phénomène de super-radiance est réel lui aussi.

Remarquablement, ce nuage va se comporter comme l'enveloppe électronique d'un atome géant autour de son noyau ; ce qui est une autre manière de dire que ces particules se rassemblent sur des sortes d'équivalents des niveaux d'énergie d'un atome et que des transitions énergétiques analogues à l'émission ou l'absorption de photons sous l'influence de perturbations (chocs, champs électriques variables etc.) sont possibles.

Les physiciens viennent de montrer par le calcul que, dans le cas d'un trou noir binaire dont les éléments vont entrer en collision puis fusionner, les perturbations gravitationnelles vont effectivement produire, lorsqu'elles contiennent les bonnes fréquences, des transitions quantiques dans le nuage de matière noire.

En retour, ces transitions vont perturber le spectre des ondes gravitationnelles émises d'une manière bien caractéristique et qui va donc laisser une signature détectable dans les ondes gravitationnelles détectées sur Terre.

Si Virgo et Ligo ne sont pas encore capables de détecter cette signature, les progrès avec les instruments de détection de ces ondes devraient être tels dans les années à venir que l'on peut raisonnablement avoir l'espoir de découvrir indirectement la matière noire de cette façon. Ce travail aurait sans nul doute intéressé le regretté Pierre Binétruy.

En supposant, bien sûr, qu'au moins une partie soit bien composée de ces bosons ultralégers similaires ou identiques aux fameux axions.


Découvrir la matière noire grâce aux trous noirs ?

Article de Laurent Sacco publié le 01/03/2017

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 :

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 super-radiance », 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 super-radiance 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.


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.

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