Les bosons ultralégers – particules hypothétiques dont la masse est inférieure à un milliardième de celle d’un électron – pourraient être responsables de la matière noire de l’Univers. Dans une nouvelle étude, une équipe internationale de physiciens des États-Unis, des Pays-Bas, de Belgique et de Hong Kong a recherché des bosons ultralégers en utilisant des trous noirs à rotation rapide.
Une impression d’artiste d’un trou noir en rotation. Crédit photo : Sci-News.com / Zdeněk Bardon / ESO.
Des nuages de bosons ultralégers – comme les axions – peuvent se former autour d’un trou noir en rotation rapide, si le rayon du trou noir est comparable à la longueur d’onde des bosons.
Le nuage extrait rapidement le moment angulaire du trou noir, et le réduit à une valeur caractéristique qui dépend de la masse du boson ainsi que de la masse et du spin du trou noir.
Par conséquent, une mesure de la masse et du spin d’un trou noir peut être utilisée pour révéler ou exclure l’existence de tels bosons.
“Si les bosons existent, nous nous attendrions à ce que les vieux trous noirs de masse appropriée n’aient pas de grands spins, puisque les nuages de bosons en auraient extrait la majeure partie “, a déclaré Kwan Yeung (Ken) Ng, un étudiant diplômé de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.
“Cela implique que la découverte d’un trou noir avec de grands spins peut exclure l’existence de bosons avec certaines masses.”
Dans leur étude, Ng et ses collègues ont examiné 45 binaires de trous noirs signalés par l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) et son détecteur compagnon Virgo.
Les masses de ces trous noirs – entre 10 et 70 masses solaires – indiquent que s’ils avaient interagi avec des bosons ultralégers, les particules auraient été comprises entre 1*10-13 eV (électronvolts) et 2*10-11 eV en masse.
Pour chaque trou noir, les chercheurs ont calculé le spin qu’il devrait avoir si le trou noir était filé par des bosons ultralégers dans la gamme de masse correspondante.
D’après leur analyse, deux trous noirs se sont distingués : GW190412 et GW190517.
Tout comme il existe une vitesse maximale pour les objets physiques – la vitesse de la lumière – il existe une rotation maximale à laquelle les trous noirs peuvent tourner. GW190517 tourne à une vitesse proche de ce maximum.
Les scientifiques ont calculé que si des bosons ultralégers existaient, ils auraient fait baisser son spin d’un facteur deux.
“S’ils existent, ces objets auraient aspiré beaucoup de moment angulaire”, a déclaré le Dr Salvatore Vitale, physicien au MIT.
L’équipe a également pris en compte d’autres scénarios possibles pour générer les grands spins des trous noirs, tout en permettant l’existence de bosons ultralégers.
Par exemple, un trou noir pourrait avoir été filé par des bosons, mais être ensuite relancé par des interactions avec le disque d’accrétion environnant, un disque de matière duquel le trou noir pourrait aspirer de l’énergie et de l’élan.
“Si vous faites le calcul, vous trouvez que cela prend trop de temps pour faire tourner un trou noir jusqu’au niveau que nous voyons ici. Nous pouvons donc ignorer cet effet de rotation”, a déclaré Ng.
En d’autres termes, il est peu probable que les spins élevés des trous noirs soient dus à un scénario alternatif dans lequel des bosons ultralégers existent également.
Compte tenu des masses et des spins élevés des deux trous noirs, les auteurs ont pu exclure l’existence de bosons ultralégers dont la masse est comprise entre 1,3*10 et 1,5*10.-13 eV et 2.7*10-13 eV.
” Nous avons fondamentalement exclu un certain type de bosons dans cette gamme de masse “, a déclaré le Dr Vitale.
“Ce travail montre également comment les détections d’ondes gravitationnelles peuvent contribuer aux recherches de particules élémentaires.”
Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
