Des chercheurs ont découvert un lien entre certains des objets les plus grands et les plus petits du cosmos : les trous noirs supermassifs et les particules de matière noire.
Leurs nouveaux calculs révèlent que des paires de trous noirs supermassifs (SMBH) peuvent fusionner en un seul trou noir plus grand en raison du comportement jusqu’alors négligé des particules de matière noire, proposant une solution au « problème du parsec final » de longue date en astronomie.
La recherche est décrite dans « La matière noire auto-interagissante résout le problème du parsec final des fusions de trous noirs supermassifs », publié ce mois-ci dans le journal Lettres d’examen physique.
En 2023, des astrophysiciens ont annoncé la détection d’un « bourdonnement » d’ondes gravitationnelles pénétrant l’univers. Ils ont émis l’hypothèse que ce signal de fond émanait de millions de paires de SMBH en fusion, chacune des milliards de fois plus massive que notre Soleil.
Cependant, des simulations théoriques ont montré que lorsque des paires de ces objets célestes gigantesques se rapprochent en spirale, leur rapprochement s’arrête lorsqu’ils sont à environ un parsec l’un de l’autre (une distance d’environ trois années-lumière), empêchant ainsi une fusion.
Non seulement ce « problème du parsec final » était en conflit avec la théorie selon laquelle la fusion de SMBH était la source du fond d’ondes gravitationnelles, mais il était également en contradiction avec la théorie selon laquelle les SMBH se développent à partir de la fusion de trous noirs moins massifs.
« Nous montrons que l’inclusion de l’effet jusqu’ici négligé de la matière noire peut aider les trous noirs supermassifs à surmonter ce dernier parsec de séparation et à fusionner », explique Gonzalo Alonso-Álvarez, co-auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au Département de physique de l’Université de Toronto et au Département de physique et à l’Institut spatial Trottier de l’Université McGill. « Nos calculs expliquent comment cela peut se produire, contrairement à ce que l’on pensait auparavant. »
Les coauteurs de l’article sont le professeur James Cline de l’Université McGill et du Département de physique théorique du CERN en Suisse et Caitlyn Dewar, étudiante à la maîtrise en physique à McGill.
On pense que les SMBH se trouvent au centre de la plupart des galaxies et que lorsque deux galaxies entrent en collision, les SMBH tombent en orbite l’une autour de l’autre. Alors qu’ils tournent l’un autour de l’autre, l’attraction gravitationnelle des étoiles proches les tire et les ralentit. En conséquence, les SMBH s’enroulent vers l’intérieur en direction d’une fusion.
Les modèles de fusion précédents ont montré que lorsque les SMBH s’approchent à environ un parsec, ils commencent à interagir avec le nuage de matière noire ou halo dans lequel ils sont intégrés. Ils ont indiqué que la gravité des SMBH en spirale projette les particules de matière noire hors du système et que la rareté de matière noire qui en résulte signifie que l’énergie n’est pas extraite de la paire et que leurs orbites mutuelles ne rétrécissent plus.
Alors que ces modèles ignoraient l’impact de la matière noire sur les orbites du SMBH, le nouveau modèle d’Alonso-Álvarez et de ses collègues révèle que les particules de matière noire interagissent entre elles de telle manière qu’elles ne sont pas dispersées. La densité du halo de matière noire reste suffisamment élevée pour que les interactions entre les particules et les SMBH continuent de dégrader les orbites du SMBH, ouvrant la voie à une fusion.
« La possibilité que les particules de matière noire interagissent entre elles est une hypothèse que nous avons formulée, un ingrédient supplémentaire que tous les modèles de matière noire ne contiennent pas », explique Alonso-Álvarez. « Notre argument est que seuls les modèles qui contiennent cet ingrédient peuvent résoudre le problème du parsec final. »
Le bruit de fond généré par ces collisions cosmiques colossales est constitué d’ondes gravitationnelles de longueur d’onde bien plus grande que celles détectées pour la première fois en 2015 par des astrophysiciens travaillant à l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO). Ces ondes gravitationnelles ont été générées par la fusion de deux trous noirs, tous deux d’une masse 30 fois supérieure à celle du Soleil.
Le bourdonnement de fond a été détecté ces dernières années par des scientifiques exploitant le Pulsar Timing Array. Le réseau révèle les ondes gravitationnelles en mesurant les variations infimes des signaux émis par les pulsars, des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent de fortes impulsions radio.
« Notre proposition prévoit que le spectre des ondes gravitationnelles observé par les réseaux de chronométrage des pulsars devrait être atténué à basse fréquence », explique Cline. « Les données actuelles suggèrent déjà ce comportement, et de nouvelles données pourraient le confirmer dans les prochaines années. »
En plus de fournir un aperçu des fusions SBMH et du signal de fond des ondes gravitationnelles, le nouveau résultat ouvre également une fenêtre sur la nature de la matière noire.
« Notre travail est une nouvelle façon de nous aider à comprendre la nature particulaire de la matière noire », explique Alonso-Álvarez. « Nous avons découvert que l’évolution des orbites des trous noirs est très sensible à la microphysique de la matière noire, ce qui signifie que nous pouvons utiliser les observations de fusions de trous noirs supermassifs pour mieux comprendre ces particules. »
Par exemple, les chercheurs ont découvert que les interactions entre les particules de matière noire qu’ils ont modélisées expliquent également les formes des halos de matière noire galactiques.
« Nous avons découvert que le problème du parsec final ne peut être résolu que si les particules de matière noire interagissent à une vitesse qui peut modifier la distribution de la matière noire à l’échelle galactique », explique Alonso-Álvarez. « C’était inattendu, car les échelles physiques auxquelles les processus se produisent sont différentes de trois ordres de grandeur ou plus. C’est passionnant. »
Plus d’information:
Gonzalo Alonso-Álvarez et al., La matière noire auto-interagissante résout le problème du parsec final des fusions de trous noirs supermassifs, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.021401