Les ondes gravitationnelles pourraient révéler de la matière noire transformant les étoiles à neutrons en trous noirs – Physics World

Les ondes gravitationnelles pourraient révéler de la matière noire transformant les étoiles à neutrons en trous noirs – Physics World

Horodatage: 19 septembre 2023 10:39 AM

Étoile à neutrons
Transformation : les étoiles à neutrons pourraient rassembler de la matière noire qui les transformerait en petits trous noirs. (Autorisation : NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Une équipe de physiciens théoriciens en Inde a montré que les ondes gravitationnelles pourraient révéler le rôle que pourrait jouer la matière noire dans la transformation des étoiles à neutrons en trous noirs.

La matière noire est une substance hypothétique et invisible invoquée pour expliquer le comportement curieux de structures à grande échelle telles que les galaxies et les amas de galaxies – comportement qui ne peut être expliqué par la seule gravité.

Si elle existe, la matière noire doit interagir avec la matière ordinaire via la gravité. Cependant, certains modèles prédisent que la matière noire pourrait également interagir avec la matière ordinaire via de très faibles interactions non gravitationnelles.

Faible mais suffisant

« Une interaction non gravitationnelle signifie que les [particules de matière noire] devraient avoir une sorte d’interaction avec les protons et les neutrons » Sulagna Bhattacharya dit Monde de la physique. Bhattacharya est un étudiant diplômé de l'Institut Tata de recherche fondamentale à Mumbai, qui ajoute : « Ces interactions peuvent être très faibles, mais elles peuvent être suffisantes pour permettre aux particules de matière noire d'être capturées à l'intérieur d'une étoile à neutrons ».

Les étoiles à neutrons sont les restes denses du noyau d’étoiles massives qui ont explosé sous forme de supernovae. Ils sont très petits, peut-être une douzaine de kilomètres de diamètre, mais avec des masses supérieures à celles du Soleil. Le noyau d’une étoile à neutrons est si dense qu’il pourrait augmenter la probabilité d’interactions entre la matière normale et la matière noire.

La masse théorique maximale que peut avoir une étoile à neutrons est de 2.5 masses solaires, mais en pratique la plupart sont beaucoup plus petites, autour de 1.4 masses solaires. Les étoiles à neutrons de plus de 2.5 masses solaires subiront un effondrement gravitationnel pour former des trous noirs.

Réduire l'écart

Les trous noirs de masse stellaire peuvent également se former directement à partir de supernovae (explosions de grandes étoiles), mais la modélisation théorique a suggéré que les trous noirs ne devraient pas exister à des masses solaires de 2 à 5. Jusqu’à récemment, cela était étayé par des preuves observationnelles. Cependant, à partir de 2015, les observations d’ondes gravitationnelles issues de la fusion de paires de trous noirs ont révélé l’existence de trous noirs au sein de cet écart de masse.

Par exemple, GW 190814 était un événement d’onde gravitationnelle détecté en 2019 impliquant un objet ayant entre 2.50 et 2.67 masses solaires. Un autre événement mystérieux a été GW 190425, également détecté en 2019, dans lequel l'objet combiné avait une masse de 3.4 masses solaires. Il s’agit d’une masse totale sensiblement plus élevée que n’importe quel système d’étoiles à neutrons binaires connu.

Maintenant Bhattacharya, son superviseur Basudeb Dasgupta, ainsi que Ranjan Laha de l'Institut indien des sciences et Anupam Ray de l'Université de Californie à Berkeley, ont suggéré que la matière noire s'accumulant au cœur d'une étoile à neutrons augmenterait la densité du noyau au point qu'elle s'effondrerait en un trou noir miniature. Ce trou noir grossirait alors et engloutirait l’étoile à neutrons. Le résultat serait un trou noir avec une masse inférieure à celle attendue. Et la détection de trous noirs de faible masse constituerait une preuve alléchante de la matière noire.

«Astrophysiquement exotique»

"Ces objets compacts seraient astrophysiquement exotiques", explique Bhattacharya, auteur principal d'un article décrivant cette hypothèse dans Physical Review Letters. Leur article présente GW 190814 et GW 190425 comme des fusions qui auraient pu impliquer des trous noirs créés à l'aide de la matière noire.

Que les trous noirs convertis à partir d’étoiles à neutrons existent ou non, Bhattacharya affirme que leur recherche fournira « des contraintes importantes sur les interactions de la matière noire avec les nucléons ». Ainsi, le nombre croissant de fusions observées pourrait permettre aux physiciens d’évaluer différents modèles de matière noire.

Une autre possibilité est que les objets de faible masse observés dans GW 190814 et GW 190425 soient des trous noirs primordiaux formés immédiatement après le Big Bang. Cependant, certaines théories suggèrent que les trous noirs primordiaux pourraient être un composant de la matière noire. L’étude des fusions pourrait donc fournir encore plus d’informations sur la nature de la matière noire.

En effet, le principal avantage de l’utilisation des ondes gravitationnelles pour rechercher des preuves de la matière noire est qu’il s’agit du moyen le plus sensible dont nous disposons pour détecter les faibles interactions non gravitationnelles de la matière noire avec la matière normale.

En effet, l’observation des ondes gravitationnelles n’est pas soumise au « plancher des neutrinos », ce qui limite les expériences visant à détecter directement la matière noire. Le débat fait référence au fait que les neutrinos constituent une source importante de bruit de fond dans les détecteurs de matière noire tels que LUX-ZEPLIN.

"La méthode que nous suggérons peut sonder les régions qui sont hors de portée de ces détecteurs terrestres en raison de l'exposition et de la sensibilité limitées du détecteur", explique Bhattacharya.

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