La chasse aux ondes gravitationnelles, des ondulations dans l’espace et dans le temps causées par des cataclysmes cosmiques majeurs, pourraient aider à résoudre l’un des autres mystères brûlants de l’Univers : les nuages de bosons et s’ils sont l’un des principaux prétendants à la matière noire.
Les chercheurs utilisent des instruments puissants, comme l’observatoire avancé d’interféromètre laser à ondes gravitationnelles (LIGO), avancé Virgo et KAGRA, qui détectent les ondes gravitationnelles jusqu’à des milliards d’années-lumière pour localiser les nuages de bosons potentiels.
Les nuages de bosons, composés de particules subatomiques ultralégères presque impossibles à détecter, ont été suggérés comme une source possible de matière noire, qui représente environ 85 % de toute la matière de l’Univers.
Désormais une nouvelle étude internationale majeure menée dans le cadre de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA et co-dirigée par des chercheurs de The Université nationale australienne (ANU), offre l’une des meilleures pistes à ce jour pour traquer ces particules subatomiques en recherchant les ondes gravitationnelles causées par les nuages de bosons encerclant les trous noirs.
Le Dr Lilli Sun, du Centre d’astrophysique gravitationnelle de l’ANU, a déclaré que l’étude était la première étude sur tout le ciel au monde conçue pour rechercher les ondes gravitationnelles prédites provenant d’éventuels nuages de bosons à proximité de trous noirs en rotation rapide.
Le Dr Lilli Sun est à la recherche de nuages de bosons, un concurrent clé pour la matière noire. Crédit : Tracey Nearmy/ANU
“Il est presque impossible de détecter ces particules de bosons ultralégers sur Terre”, a déclaré le Dr Sun.
« Les particules, si elles existent, ont une masse extrêmement faible et interagissent rarement avec d’autres matières, ce qui est l’une des propriétés clés que la matière noire semble avoir. La matière noire est un matériau qui ne peut pas être vu directement, mais nous savons que la matière noire existe en raison de l’effet qu’elle a sur les objets que nous pouvons observer.
« Mais en recherchant les ondes gravitationnelles émises par ces nuages, nous pourrons peut-être retrouver ces particules de bosons insaisissables et éventuellement déchiffrer le code de la matière noire. Nos recherches pourraient également nous permettre d’exclure certaines particules de bosons ultralégers qui, selon nos théories, pourraient exister mais n’existent pas en réalité.
Le Dr Sun, également chercheur associé au Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), a déclaré que les détecteurs d’ondes gravitationnelles permettaient aux chercheurs d’examiner l’énergie des trous noirs en rotation rapide extraits par de tels nuages s’ils existent.
« Nous pensons que ces trous noirs piègent un grand nombre de particules de bosons dans leur puissant champ de gravité, créant un nuage en corotation avec eux. Cette danse délicate se poursuit pendant des millions d’années et continue de générer des ondes gravitationnelles qui déferlent dans l’espace », a-t-elle déclaré.
Bien que les chercheurs n’aient pas encore détecté d’ondes gravitationnelles dans les nuages de bosons, le Dr Sun a déclaré que la science des ondes gravitationnelles avait « ouvert des portes qui étaient auparavant fermées aux scientifiques ».
“Les découvertes d’ondes gravitationnelles fournissent non seulement des informations sur de mystérieux objets compacts dans l’Univers, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons, elles nous permettent également de rechercher de nouvelles particules et de la matière noire”, a-t-elle déclaré.
« Les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles ouvriront certainement plus de possibilités. Nous pourrons aller plus loin dans l’Univers et découvrir plus d’informations sur ces particules.
« Par exemple, la découverte de nuages de bosons à l’aide de détecteurs d’ondes gravitationnelles apporterait des informations importantes sur la matière noire et aiderait à faire avancer d’autres recherches sur la matière noire. Cela ferait également progresser notre compréhension de la physique des particules plus largement. »
Dans une autre percée importante, l’étude a également fait la lumière sur la possibilité que des nuages de bosons existent dans notre propre galaxie en tenant compte de leur âge.
Le Dr Sun a déclaré que la force de toute onde gravitationnelle dépend de l’âge du nuage, les plus anciens envoyant des signaux plus faibles.
“Le nuage de bosons se rétrécit à mesure qu’il perd de l’énergie en envoyant des ondes gravitationnelles”, a déclaré le Dr Sun.
“Nous avons appris qu’un type particulier de nuage de bosons de moins de 1 000 ans n’existera probablement nulle part dans notre galaxie, tandis que les nuages qui ont jusqu’à 10 millions d’années n’existeront probablement pas à moins de 3 260 années-lumière de la Terre.”
Référence : “All-sky search for gravitational wave emission from scalar boson clouds around spinning blackholes in LIGO O3 data” par la collaboration scientifique LIGO, la collaboration Virgo, la collaboration KAGRA : R. Abbott, H. Abe, F. Acernese, K. Ackley, N. Adhikari, RX Adhikari, VK Adkins, VB Adya, C. Affeldt, D. Agarwal, M. Agathos, K. Agatsuma, N. Aggarwal, OD Aguiar, L. Aiello, A. Ain, P. Ajith, T. Akutsu, S. Albanesi, RA Alfaidi, A. Allocca, PA Altin, A. Amato, C. Anand, S. Anand, A. Ananyeva, SB Anderson, WG Anderson, M. Ando, T. Andrade, N. Andres, M. Andrés-Carcasona, T. Andrić, SV Angelova, S. Ansoldi, JM Antelis, S. Antier, T. Apostolatos, EZ Appavuravther, S. Appert, SK Apple, K. Arai, A. Araya, MC Araya, JS Areeda, M. Arène, N. Aritomi, N. Arnaud, M. Arogeti, SM Aronson, KG Arun, H. Asada, Y. Asali, G. Ashton, Y. Aso, M. Assiduo, S. Assis de Souza Melo, SM Aston, P. Astone, F. Aubin, K. AultONeal, C. Austin, S. Babak, F. Badaracco, MKM Bader, C. Badger, S. Bae, Y. Bae, AM Baer, S. Bagnasco, Y. Bai, J. Baird, R. Bajpai, T. Baka, M. Ball, G. Ballardin, SW Ballmer, A. Balsamo, G. Baltus, S. Banagiri, B. Banerjee, D. Bankar, JC Barayoga, C. Barbieri, BC Barish, D. Barker, P. Barneo, F. Barone, B. Barr, L. Barsotti, M. Barsuglia, D. Barta, J. Bartlett, MA Barton, I Bartos, S. Basak, R. Bassiri et al., 30 novembre 2021, Astrophysique > Phénomènes astrophysiques à haute énergie.
arXiv:2111.15507
