L’existence de la matière noire reste l’un des plus grands mystères de l’univers. Alors que des études ont indirectement fait allusion à son existence, sa nature invisible rend cette substance insaisissable très difficile à détecter, ainsi sa composition reste inconnue.
La matière noire pourrait être constituée de particules fondamentales et exotiques encore à découvrir. Alternativement, il pourrait consister en de nombreux objets massifs et compacts, tels que des trous noirs primordiaux (c’est-à-dire des trous noirs formés dans l’univers primitif).
Au cours des dernières décennies, de nombreuses équipes de scientifiques du monde entier ont recherché la matière noire, en utilisant une multitude de techniques, de télescopes, de détecteurs et de données d’observation. Bien que la plupart de ces recherches aient été infructueuses, elles ont aidé à guider et à affiner les recherches ultérieures.
Des chercheurs du Centre international d’études théoriques de l’Institut Tata de recherche fondamentale à Bangalore, en Inde, ont récemment établi de nouvelles contraintes sur la fraction de matière noire compacte provenant des microlentilles d’ondes gravitationnelles. Leur article, publié dans Les lettres du journal astrophysiqueintroduit une nouvelle façon de sonder la nature de la matière noire en recherchant les effets de microlentille dans les ondes gravitationnelles.
« Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, les objets massifs courbent la lumière comme le font les lentilles optiques normales », a déclaré Parameswaran Ajith, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Les objets massifs, tels que les trous noirs qui se trouvent entre la source astronomique et l’observateur, peuvent agrandir la source. Ce phénomène, appelé microlentille gravitationnelle, s’est avéré être un outil puissant pour les astronomes. »
Malgré les efforts de recherche considérables dans le domaine, les astronomes n’ont jusqu’à présent pas été en mesure d’observer les effets de microlentille produits par les trous noirs. Cela suggère que les trous noirs beaucoup plus légers que le soleil, qui produiraient la microlentille de lumière, sont rares.
« Même si ces trous noirs existent, ils ne constituent probablement qu’une très petite fraction de la matière noire », a déclaré Ajith. « La théorie prédit que les ondes gravitationnelles seront également lentilles de la même manière. Si des trous noirs primordiaux beaucoup plus massifs que le soleil sont abondants dans l’univers, ils déformeront les ondes gravitationnelles. »
En 2003, certains physiciens théoriciens ont calculé avec précision la nature des distorsions des ondes gravitationnelles. Près de deux décennies plus tard, Sunghoon Jung et Chang Sub Shin, deux scientifiques de l’Université nationale de Séoul et du Centre IBS de physique théorique de l’univers, ont suggéré que la non-observation de ces distorsions par les collaborations LIGO et Virgo pourrait contribuer à limiter l’abondance de des trous noirs nettement plus massifs que le soleil.
Le récent article d’Ajith et de ses collègues s’inspire de ces travaux antérieurs. Les travaux de l’équipe reposent sur l’hypothèse que si une fraction importante de la matière noire était effectivement composée d’objets compacts, ces objets provoqueraient des effets de microlentille dans les signaux d’ondes gravitationnelles périodiquement détectés par les détecteurs LIGO et Virgo.
« En 2018, en collaboration avec des collègues de la collaboration LIGO-Virgo, nous avions cherché pour les signatures de telles distorsions dans les signaux d’ondes gravitationnelles observés par LIGO et Virgo et n’en ont trouvé aucune », a déclaré Ajith. « Cependant, puisque LIGO et Virgo n’avaient alors observé que 10 signaux d’ondes gravitationnelles, notre attente préalable pour trouver de telles distorsions était meugler. »
Récemment, LIGO-Virgo Collaboration a annoncé un null similaire résultats à partir de sa troisième campagne d’observation. « De plus, Ajith et ses collègues ont analysé indépendamment les ondes gravitationnelles qu’un groupe de l’Institute for Advanced Studies (IAS) de Princeton avait découvertes dans les données LIGO-Virgo. Au total, ils ont ainsi analysé plus de 50 événements d’ondes gravitationnelles.
Alors que les chercheurs n’ont pu observer de distorsions de microlentilles dans aucun des signaux qu’ils ont analysés, leurs analyses leur ont permis de définir des contraintes supplémentaires sur la matière noire compacte. En d’autres termes, ils ont contraint la fraction de matière noire constituée de trous noirs massifs.
« Les contraintes que nous avons obtenues jusqu’à présent sont assez modestes », a déclaré Ajith. « Tout ce que nous pouvons dire, c’est que pas plus de 50% de la matière noire se présente sous la forme de trous noirs massifs, ce qui n’est pas une nouvelle information. Cependant, dans les prochaines années, LIGO et Virgo devraient observer des centaines, voire des milliers de signaux d’ondes gravitationnelles. Ces observations nous permettront d’améliorer significativement ces contraintes. »
À l’avenir, Ajith et ses collègues prévoient d’analyser tous les nouveaux événements d’ondes gravitationnelles enregistrés par les détecteurs LIGO-Virgo. De plus, ils espèrent que leurs travaux récents encourageront d’autres équipes à utiliser la microlentille des ondes gravitationnelles pour étudier la nature de la matière noire.
« Dans le cadre de la collaboration LIGO-Virgo, nous analysons tous les signaux d’ondes gravitationnelles détectés par LIGO et Virgo au cours de leurs trois dernières périodes d’observation (un total de près de 100 événements) », a ajouté Ajith. « Cela améliorera un peu la contrainte. Cependant, nous sommes impatients d’analyser les données de la prochaine campagne d’observation, où LIGO et Virgo devraient observer des centaines de signaux d’ondes gravitationnelles ! »
S. Basak et al, Constraints on Compact Dark Matter from Gravitational Wave Microlensing, Les lettres du journal astrophysique (2022). DOI : 10.3847/2041-8213/ac4dfa
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