Illustration des ondes gravitationnelles.
Des instruments incroyablement sensibles utilisés pour des découvertes historiques pourraient aider à résoudre l’un des plus grands mystères de l’Univers.
La technologie à l’origine de l’une des plus grandes percées scientifiques du siècle – la détection des ondes gravitationnelles – est désormais utilisée dans la recherche de l’insaisissable matière noire. Dans une étude publiée récemment dans Nature, une équipe dirigée par des scientifiques de l’Institut d’exploration de la gravité de l’université de Cardiff a utilisé les données du détecteur d’ondes gravitationnelles German-UK GEO600, situé près de Hanovre, en Allemagne, pour rechercher pour la toute première fois un nouveau type de matière noire. Bien qu’aucune détection directe n’ait été effectuée, cette recherche unique constitue la première étape de l’établissement d’une nouvelle méthode de recherche. La non-détection a permis aux chercheurs d’écarter certaines théories sur la matière noire et contribue à améliorer les futures recherches de ce constituant invisible de notre Univers.
On pense qu’elle constitue environ 85 % de toute la matière de l’Univers, mais la matière noire n’a jamais été observée directement et reste l’un des plus grands mystères non résolus de la physique moderne. Même si la matière noire n’a jamais été détectée directement, les scientifiques soupçonnent son existence en raison de son effet gravitationnel sur les objets de l’Univers. Par exemple, une grande quantité de matière invisible pourrait expliquer pourquoi les galaxies tournent comme elles le font, et comment elles ont pu se former en premier lieu.
Jusqu’à récemment, on pensait que la matière noire était composée de particules élémentaires lourdes. Celles-ci n’ont pas été découvertes malgré une multitude d’efforts, et les scientifiques se tournent désormais vers des théories alternatives pour expliquer la matière noire. Une théorie récente affirme que la matière noire est en fait quelque chose appelé champ scalaire, qui se comporterait comme des ondes invisibles rebondissant autour des galaxies, y compris notre propre Voie lactée.
Une recherche éclairante : les scientifiques ont développé des technologies innovantes pour le détecteur GEO600, qui sont également utilisées dans d’autres systèmes de ce type dans le monde. Crédit : H. Lueck / Institut Max Planck de physique gravitationnelle
Avec des détecteurs extrêmement sensibles désormais à leur disposition, déjà prouvés par plusieurs découvertes exceptionnelles, les scientifiques pensent que la technologie actuelle des ondes gravitationnelles a le véritable potentiel pour enfin découvrir directement la matière noire et même savoir de quoi elle est faite.
“Nous avons réalisé que nos instruments pouvaient être utilisés pour chasser ce nouveau type de matière noire, bien qu’ils aient été initialement conçus pour détecter les ondes gravitationnelles”, a déclaré Hartmut Grote, de l’Institut d’exploration de la gravité de l’Université de Cardiff, qui est à l’origine de l’enquête et qui a été le scientifique principal de GEO600 de 2009 à 2017.
Dans un interféromètre laser tel que GEO600, un laser est divisé en deux faisceaux de lumière qui parcourent des centaines de mètres dans des tubes à vide, puis rebondissent entre des miroirs avant de se retrouver sur un détecteur. À partir de là, les scientifiques peuvent évaluer avec une grande précision le degré de désynchronisation des faisceaux de lumière entre eux, ce qui est en soi un indicateur de toute perturbation rencontrée par les faisceaux. Dans la détection des ondes gravitationnelles, les ondulations de l’espace-temps dues à des événements astronomiques lointains compriment et étirent la distance parcourue par la lumière laser d’un millième de diamètre de proton.
L’observatoire d’ondes gravitationnelles GEO600 est situé à Ruthe près de Sarstedt, à 20 kilomètres au sud de Hanovre. Il s’agit d’un interféromètre laser avec des bras de 600 mètres de long utilisé par les scientifiques de l’AEI pour rechercher les minuscules ondulations de l’espace-temps prédites par Albert Einstein. Crédit :
H. Lück/AEI
Le détecteur GEO 600 en Allemagne est un interféromètre très sensible et a été utilisé pour développer une grande partie de la technologie nécessaire à la détection des ondes gravitationnelles par LIGO et Virgo. Bien que les autres détecteurs soient plus sensibles aux ondes gravitationnelles, GEO600 est le plus sensible aux effets de la matière noire des champs scalaires.
“Les ondes de matière noire à champ scalaire traverseraient la Terre et nos instruments, mais en le faisant, elles feraient vibrer très légèrement des objets tels que des miroirs”, a déclaré le chercheur principal, Sander Vermeulen, également de l’université de Cardiff. “Les vibrations des miroirs perturberaient les faisceaux de lumière dans des instruments comme GEO600 ou les détecteurs LIGO d’une manière particulière caractéristique de la matière noire, ce que nous devrions être en mesure de détecter, en fonction des propriétés exactes de cette matière noire.”
Bien que l’équipe n’ait pas réussi à faire une quelconque détection dans cette nouvelle étude, ils disent qu’ils font des premiers pas importants en termes d’introduction de cette matière noire.à la recherche de matière noire et ont déjà fait des progrès en termes de réduction de certains paramètres pour les études futures.
“J’ai été surpris de voir à quel point un instrument peut être sensible pour la recherche de matière noire alors qu’il avait été construit à l’origine dans un but totalement différent”, déclare M. Grote.
“Nous avons définitivement écarté certaines théories qui affirment que la matière noire a certaines propriétés, de sorte que les futures recherches ont maintenant une meilleure idée de ce qu’il faut rechercher”, a déclaré Vermeulen. “Nous pensons que ces nouvelles techniques ont le véritable potentiel de découvrir la matière noire à un moment donné dans le futur.”
“C’est merveilleux de voir comment GEO600 a prouvé une fois de plus qu’il était un instrument très utile et sensible pour la recherche pionnière”, a déclaré Karsten Danzmann, directeur à l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein) à Hanovre et directeur de l’Institut de physique gravitationnelle de l’Université Leibniz de Hanovre.
Référence : “Direct limits for scalar field dark matter from a gravitational-wave detector” par Sander M. Vermeulen, Philip Relton, Hartmut Grote, Vivien Raymond, Christoph Affeldt, Fabio Bergamin, Aparna Bisht, Marc Brinkmann, Karsten Danzmann, Suresh Doravari, Volker Kringel, James Lough, Harald Lück, Moritz Mehmet, Nikhil Mukund, Séverin Nadji, Emil Schreiber, Borja Sorazu, Kenneth A. Strain, Henning Vahlbruch, Michael Weinert, Benno Willke et Holger Wittel, 15 décembre 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04031-y
GEO600
GEO600 est conçu et exploité par des scientifiques de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle, avec des partenaires du Royaume-Uni. Il est financé par la Société Max Planck et le Science and Technology Facilities Council (STFC).
