La matière noire, l'invité invisible le plus célèbre de l'univers, constituerait la majeure partie de la matière du cosmos - pourtant personne ne peut la voir, la toucher ou obtenir un RSVP. Contrairement à la matière ordinaire, elle refuse d'interagir avec la lumière ou les forces électromagnétiques, ne laissant que la gravité comme seul moyen connu de détecter sa présence. Aujourd'hui, des chercheurs pensent que les collisions de trous noirs pourraient enfin donner à cette substance insaisissable une raison de se montrer.
Des physiciens du MIT et de plusieurs institutions européennes ont développé une méthode pour repérer d'éventuels signaux de matière noire cachés dans les ondes gravitationnelles - ces ondulations de l'espace-temps créées lorsque des objets massifs comme les trous noirs spiralent et fusionnent. Si ces trous noirs traversent des nuages denses de matière noire avant de collisionner, les ondes gravitationnelles résultantes pourraient porter des traces subtiles de cette interaction, comme une empreinte cosmique sur une vitre. L'équipe a testé son approche en utilisant des données publiques de LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), le réseau international d'observatoires d'ondes gravitationnelles qui surveille les fusions de trous noirs et autres événements cosmiques lointains.
Les chercheurs ont analysé les signaux des trois premières campagnes d'observation de LVK, en se concentrant sur 28 des événements d'ondes gravitationnelles les plus clairs détectés à ce jour. Pour 27 de ces événements, les signaux correspondaient à ce que les scientifiques attendraient de trous noirs fusionnant dans l'espace vide - des affaires courantes dans le vide. Mais un signal, connu sous le nom de GW190728, semblait différent. Selon l'analyse de l'équipe, le motif de cette onde gravitationnelle pourrait contenir des preuves d'une interaction avec la matière noire. Les chercheurs soulignent que cela ne compte pas comme une découverte confirmée - plutôt comme une piste prometteuse dans une affaire cosmique non résolue.
« Nous savons que la matière noire est autour de nous. Elle doit juste être assez dense pour que nous puissions voir ses effets », déclare Josu Aurrekoetxea, postdoctorant au département de physique du MIT. « Les trous noirs fournissent un mécanisme pour augmenter cette densité, que nous pouvons désormais rechercher en analysant les ondes gravitationnelles émises lors de leur fusion. » Les résultats paraissent dans Physical Review Letters, co-écrits par Aurrekoetxea, le membre de LVK Soumen Roy de l'Université catholique de Louvain (UCLouvain) en Belgique, Rodrigo Vicente de l'Université d'Amsterdam, Katy Clough de l'Université Queen Mary de Londres, et Pedro Ferreira de l'Université d'Oxford.
La matière noire reste l'une des plus grandes gênes de la physique - les scientifiques déduisent son existence parce que la gravité autour des galaxies semble plus forte que ce que la matière visible seule peut expliquer, et les observations de lentilles gravitationnelles montrent une masse supplémentaire courbant la lumière. Les estimations actuelles suggèrent que la matière noire pourrait représenter plus de 85 % de la matière de l'univers, mais les chercheurs ne savent toujours pas ce qu'elle est réellement. Une forme proposée implique des particules extrêmement légères appelées particules « scalaires légères », que les théories suggèrent pouvoir se comporter comme des ondes coordonnées près des trous noirs. Les scientifiques pensent que lorsque ces ondes rencontrent un trou noir en rotation rapide, l'énergie rotationnelle du trou noir peut être transférée aux ondes de matière noire, augmentant considérablement leur densité - un processus connu sous le nom de superradiance, qui a été comparé à fouetter de la crème pour en faire du beurre. (Nous ne sommes pas sûrs que la matière noire ait le goût du beurre, mais l'analogie tient.) Si la densité devient suffisamment élevée, la matière noire pourrait altérer les ondes gravitationnelles produites lors de la collision des trous noirs.
Pour étudier cela, les chercheurs ont construit des simulations détaillées de fusions de trous noirs dans de nombreuses conditions différentes, en faisant varier des facteurs comme les masses et les tailles des trous noirs, la quantité de matière noire environnante et sa densité. En utilisant ces simulations, l'équipe a prédit à quoi ressembleraient les ondes gravitationnelles si les trous noirs fusionnaient dans un environnement dense de matière noire plutôt que dans le vide, et a tenu compte de la façon dont ces ondes changeraient en voyageant à travers des millions d'années-lumière jusqu'à la Terre. En comparant leurs prédictions avec les observations réelles de LVK, GW190728 a été le seul événement sur 28 à montrer une ag