Étudier l’impact de la matière noire ultralégère sur les signaux d’ondes gravitationnelles

UN étude récente dans Lettres d’examen physique explore les effets de la matière noire ultralégère dans les inspirations à rapport de masse extrême (EMRI), qui pourraient être détectées par les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles spatiaux comme LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

Compte tenu des nombreuses formes proposées de matière noire, les scientifiques étudient plusieurs approches pour leur détection.

Cette étude se concentre sur la compréhension du comportement de la matière noire ultralégère par rapport aux inspirations à rapport de masse extrême (EMRI). Ces systèmes consistent en un trou noir supermassif (SMBH) associé à un corps astronomique plus petit, qui peut être une étoile ou un autre trou noir.

Les ondes gravitationnelles émises par ces systèmes lorsque le plus petit objet stellaire spirale dans le SMBH pourraient indiquer le comportement de la matière noire ultralégère dans et autour de ces systèmes.

Phys.org s’est entretenu avec les auteurs de l’étude pour mieux comprendre leur travail.

Parlant de la motivation de l’équipe derrière l’étude, le Dr Francisco Duque, chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle et premier auteur de l’étude, a déclaré : « Comprendre la nature fondamentale de la matière noire est l’un des principaux problèmes non résolus dans physique moderne.

« Nous savons qu’il doit exister pour que les galaxies se forment et évoluent vers leur état actuel. Mais l’obscurité n’est qu’une façon sophistiquée de dire que nous n’avons aucune idée de ce que c’est, sauf qu’elle interagit faiblement avec d’autres particules dans le modèle standard. »

Matière noire ultralégère

La matière noire ultralégère est constituée de particules de matière noire de petite masse, modélisées comme des bosons scalaires, qui n’ont pas de spin intrinsèque. Cela crée un champ scalaire, qui est uniformément réparti dans l’espace, de la même manière que la température est uniformément répartie dans une pièce.

Ce type de matière noire se présente sous différentes formes, comme la matière noire floue et les nuages ​​​​de bosons. Ces particules peuvent être jusqu’à 1 028 fois plus légères qu’un électron.

La matière noire floue ne s’agglutine pas de la même manière que les particules de matière noire traditionnelles. Au contraire, il présente un comportement ondulatoire significatif à grande échelle en raison de la petite masse des particules. À petite échelle, la matière noire floue peut influencer le comportement des structures galactiques.

D’un autre côté, des nuages ​​de bosons se trouvent autour des trous noirs en rotation. Le nuage de bosons puise dans l’énergie du trou noir et grossit, provoquant la dispersion de l’énergie au lieu d’être absorbée par le trou noir. Ce processus est connu sous le nom de superradiance.

Si l’une ou l’autre de ces formes théorisées de matière noire ultralégère existe dans les EMRI, cela pourrait modifier les ondes gravitationnelles émises par ces systèmes.

Une approche relativiste

Bien que des études antérieures aient étudié les effets environnementaux sur les EMRI, elles se sont entièrement appuyées sur des approximations newtoniennes. Cependant, dans des environnements de gravité extrême ou lorsqu’il s’agit de vitesses élevées (proches de la vitesse de la lumière), les effets relativistes ne peuvent être ignorés.

L’équipe de recherche a donc décidé d’incorporer un cadre entièrement relativiste pour étudier l’environnement autour des EMRI. Leur objectif était d’utiliser ce cadre pour étudier l’énergie perdue dans les EMRI en raison des ondes gravitationnelles de l’inspiration et de l’épuisement du champ scalaire lors de son interaction avec le système binaire.

Le Dr Rodrigo Vicente, chercheur postdoctoral à l’Institut de physique des hautes énergies de Barcelone et co-auteur de l’étude, a expliqué ses découvertes : « Lorsque les trous noirs plus petits gravitent autour du SMBH, ils se déplacent à travers la matière noire et créent une traînée dense. sillage, semblable au sillage créé par un nageur dans une piscine. Ce sillage exerce une attraction gravitationnelle supplémentaire sur le petit trou noir appelée friction dynamique, le ralentissant et modifiant les signaux des ondes gravitationnelles.

Les densités des nuages ​​​​de matière noire ultralégère autour du SMBH peuvent atteindre 20 fois celle de l’or, soulignant l’impact significatif de la matière noire ultralégère dans l’évolution des EMRI et d’autres systèmes similaires.

LISA et futures détections

Le déplacement des signaux des ondes gravitationnelles dû à la matière noire ultralégère pourrait être détecté sur Terre par de futurs détecteurs comme LISA.

Le Dr Caio Macedo, professeur à l’Universidade Federal do Pará et co-auteur de l’étude, a expliqué : « LISA, qui devrait être lancée en 2035 par l’Agence spatiale européenne, sera sensible aux fréquences millihertz, lui permettant d’observer Les EMRI de haute précision seront capables de suivre ces systèmes pendant des semaines, des mois, voire des années, et seront alors parfaitement adaptés pour observer le déphasage introduit par le frottement dynamique, qui s’accumule sur de nombreux cycles.

Cependant, si de tels effets ne sont pas observés, les données de LISA peuvent être utilisées pour imposer des contraintes strictes sur l’existence de champs ultralégers sur une large gamme de masses.

Au-delà de la matière noire

En plus de l’effet de friction dynamique, les chercheurs ont également pu étudier comment la matière noire floue et les nuages ​​de bosons agissent différemment.

Les chercheurs ont découvert que dans le cas de matière noire floue autour des SMBH, la perte d’énergie due à l’épuisement du champ scalaire peut dépasser celle due à l’émission d’ondes gravitationnelles, en particulier lorsque le plus petit objet est éloigné du SMBH.

L’intégration d’un cadre relativiste a également permis de découvrir le comportement résonant des ondes gravitationnelles, un effet relativiste absent dans les modèles newtoniens.

Pour les nuages ​​de bosons, ils ont constaté que la dissipation d’énergie via l’épuisement scalaire est très sensible aux propriétés du milieu environnant.

Avec un modèle plus précis de la façon dont différents types de matière affectent les ondes gravitationnelles, cette étude a le potentiel de faire progresser considérablement notre compréhension de la gravité, présentant ainsi une voie vitale pour l’exploration de la matière noire.

En parlant de travaux futurs, les chercheurs mentionnent l’élargissement de leur cadre pour tenir compte des orbites excentriques, plus susceptibles d’être observées dans les EMRI.

Ils prévoient également d’adapter leur cadre relativiste aux disques de noyaux galactiques actifs (AGN), censés contenir des quantités importantes de matière noire. La matière noire étant essentielle à la formation de structures à grande échelle, cette recherche pourrait apporter une plus grande clarté sur son rôle dans l’univers.

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