Détecter de nouvelles particules autour des trous noirs avec des ondes gravitationnelles

On pense généralement que les trous noirs avalent toutes les formes de matière et d’énergie qui les entourent. Cependant, on sait depuis longtemps qu’ils peuvent également perdre une partie de leur masse grâce à un processus appelé superradiance. Bien que l’on sache que ce phénomène se produit, il n’est efficace que s’il existe dans la nature de nouvelles particules de masse très faible, jusqu’ici non observées, comme le prédisent plusieurs théories au-delà du modèle standard de la physique des particules.

Atomes gravitationnels ionisants

Lorsque la masse est extraite d’un trou noir par superradiance, elle forme un grand nuage autour du trou noir, créant un soi-disant atome gravitationnel. Malgré la taille immensément plus grande d’un atome gravitationnel, la comparaison avec les atomes sous-microscopiques est exacte en raison de la similitude du trou noir et de son nuage avec la structure familière des atomes ordinaires, où des nuages ​​d’électrons entourent un noyau de protons et de neutrons.

Dans une publication parue dans Physical Review Letters cette semaine, une équipe composée de physiciens de l’UvA Daniel Baumann, Gianfranco Bertone et Giovanni Maria Tomaselli, et du physicien de l’Université de Harvard John Stout, suggère que l’analogie entre les atomes ordinaires et gravitationnels est plus profonde que le simple similitude de structure. Ils affirment que la ressemblance peut en fait être exploitée pour découvrir de nouvelles particules avec les prochains interféromètres à ondes gravitationnelles.

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont étudié l’équivalent gravitationnel de ce que l’on appelle “l’effet photoélectrique”. Dans ce processus bien connu, qui est par exemple exploité dans les cellules solaires pour produire un courant électrique, les électrons ordinaires absorbent l’énergie des particules lumineuses incidentes et sont ainsi éjectés d’un matériau — les atomes « s’ionisent ». Dans l’analogue gravitationnel, lorsque l’atome gravitationnel fait partie d’un système binaire de deux objets lourds, il est perturbé par la présence du compagnon massif, qui pourrait être un deuxième trou noir ou une étoile à neutrons. Tout comme les électrons de l’effet photoélectrique absorbent l’énergie de la lumière incidente, le nuage de particules ultralégères peut absorber l’énergie orbitale du compagnon, de sorte qu’une partie du nuage est éjectée de l’atome gravitationnel.

Trouver de nouvelles particules

L’équipe a démontré que ce processus peut considérablement modifier l’évolution de ces systèmes binaires, réduisant considérablement le temps nécessaire pour que les composants fusionnent les uns avec les autres. De plus, l’ionisation de l’atome gravitationnel est renforcée à des distances très spécifiques entre les trous noirs binaires, ce qui conduit à des caractéristiques nettes dans les ondes gravitationnelles que nous détectons à partir de telles fusions. Les futurs interféromètres à ondes gravitationnelles – des machines similaires aux détecteurs LIGO et Virgo qui nous ont montré ces dernières années les premières ondes gravitationnelles des trous noirs – pourraient observer ces effets. Trouver les caractéristiques prédites des atomes gravitationnels fournirait des preuves distinctives de l’existence de nouvelles particules ultralégères.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Université d’Amsterdam. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.