Les physiciens ont développé une nouvelle façon d’étudier la matière noire à l’aide de détecteurs d’ondes gravitationnelles, révélant potentiellement l’impact des particules de matière noire sur les étoiles à neutrons. Cette approche fournit de nouvelles informations sur la matière noire au-delà de la plage de détection des détecteurs actuels, ouvrant la voie à de futures découvertes de matière noire à l’aide d’observatoires avancés d’ondes gravitationnelles.
La matière noire est fondamentale pour notre compréhension de l’univers, mais sa nature exacte reste un mystère. Découvrir les propriétés de la matière noire est un objectif important en cosmologie et en physique des particules.
Des physiciens du Tata Institute of Fundamental Research, de l’Indian Institute of Science et de l’Université de Californie à Berkeley ont collaboré pour lancer une nouvelle façon d’étudier la matière noire. Cette méthode utilise la recherche d’ondes gravitationnelles pour détecter l’impact potentiel de la matière noire sur les étoiles à neutrons.
Suragana Bhattacharya, étudiant diplômé au TIFR et premier auteur de l'étude publiée dans Physical Review Letters, a expliqué que les particules de matière noire de la Voie lactée s'accumulent dans les étoiles à neutrons en raison de leurs interactions non gravitationnelles. Les particules accumulées forment un noyau dense qui s’effondre en un minuscule trou noir si les particules de matière noire sont lourdes et n’ont pas d’équivalent antiparticulaire.
Dans la gamme plus large autorisée de masses de particules de matière noire, le trou noir initial engloutira son étoile à neutrons hôte et la transformera en un trou noir de masse d’étoile à neutrons. Fondamentalement, la théorie de l'évolution stellaire prédit que les trous noirs se forment lorsque les étoiles à neutrons dépassent environ 2,5 fois la masse du Soleil, comme codé par la limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, mais ici, les trous noirs de faible masse résultant de la matière noire sont généralement plus petits que les plus grandes étoiles à neutrons.
Anupam Ray, co-responsable de ce travail, a souligné : « Pour les paramètres de matière noire qui n'ont pas été exclus par d'autres expériences, les anciens systèmes binaires d'étoiles à neutrons dans les régions denses de la Voie lactée auraient dû évoluer vers des systèmes binaires de trous noirs. Si nous ne constatons aucune fusion inhabituelle de faible masse, cela impose de nouvelles contraintes à la matière noire. »
Relier la matière noire aux trous noirs
Curieusement, certains des événements détectés par LIGO, tels que GW190814 et GW190425, semblent impliquer au moins un objet compact de faible masse. Une suggestion alléchante, basée sur les travaux pionniers de Hawking et Zeldovich dans les années 1960, est que les trous noirs de faible masse pourraient avoir une origine primordiale, créée par des fluctuations de densité extrêmement rares mais massives dans l’univers primitif.
En raison de ces considérations, la collaboration LIGO a mené des recherches ciblées sur les trous noirs de faible masse et a fixé des limites. L'étude de Bhattacharya et de ses collaborateurs montre que le phénomène de fusions de faible masse non détecté par LIGO impose également des contraintes strictes sur la matière noire des particules.
Les contraintes proposées dans cette étude sont d'une grande valeur car l'espace des paramètres qu'elles explorent est bien au-delà de la plage de détection des détecteurs de matière noire actuels au sol (tels que XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN), en particulier pour les particules lourdes de matière noire.
L'avenir des observations d'ondes gravitationnelles
Les fusions de trous noirs de faible masse devraient être détectées non seulement par les détecteurs d’ondes gravitationnelles existants tels que LIGO, VIRGO et KAGRA, mais également par les détecteurs à venir tels que AdvancedLIGO, Cosmic Explorer et le télescope Einstein. En tenant compte des projets de mise à niveau des expériences actuelles sur les ondes gravitationnelles et de l'augmentation de leur sensibilité et de leur temps d'observation, l'étude prédit quelles contraintes pourraient être obtenues au cours de la prochaine décennie.
En particulier, la recherche montre que les observations d'ondes gravitationnelles peuvent détecter des interactions extrêmement faibles de matière noire lourde, bien en dessous du soi-disant « plancher de neutrinos » auquel les détecteurs de matière noire conventionnels doivent faire face au fond astrophysique des neutrinos.
À l’inverse, si des trous noirs exotiques de faible masse étaient découverts à l’avenir, cela pourrait fournir des indices précieux sur la nature de la matière noire. L'auteur souligne avec optimisme : "Les détecteurs d'ondes gravitationnelles se sont révélés utiles pour détecter directement les trous noirs et les ondes gravitationnelles prédites par Einstein, et pourraient éventuellement devenir un outil puissant pour tester les théories de la matière noire."
Référence : « Article publié par Sulagna Bhattacharya, Basudeb Dasgupta, Ranjan Laha et Anupam Ray dans « Physical Review Letters » le 29 août 2023 : « LIGO peut-il détecter la matière noire non destructive »
DOI:10.1103/PhysRevLett.131.091401
Source compilée : ScitechDaily