Exploiter la collision des trous noirs pour de nouvelles physiques

La physicienne Asimina Arvanitaki veut exploiter les données des ondes gravitationnelles pour chercher des preuves de particules de matière noire qui orbiterait autour des trous noirs.


La physicienne Asimina Arvanitaki veut exploiter les données des ondes gravitationnelles pour chercher des preuves de particules de matière noire qui orbiterait autour des trous noirs.

Traduction d’un article de Quanta Magazine.

Quand les physiciens ont annoncé la découverte des ondes gravitationnelles en février 2016, les fondations de la ont à peine tremblé. Le signal correspondait exactement aux prévisions des physiciens près d’un siècle après la publication de la théorie de la relativité générale. Mais il restait une question : Est-ce qu’on peut faire de la fondamentale avec cette découverte ? Est-ce qu’on peut penser au-delà du modèle standard selon Sava Dimopoulos, un physicien théoricien de l’université de Stanford. Et la plupart des gens répondront que non.

Asimina Arvanitaki n’est pas une de ces personnes. En tant que physicienne théoricienne au Perimeter Institute of Theoretical Physics en Ontario, Arvanitaki espère utiliser les pour explorer les particules et les forces fondamentales de la nature lorsqu’elle a publié un papier en 2010 avec Dimopoulos, son tuteur du collège. Avec d’autres chercheurs, ils ont esquissé un Axiverse à cordes, un panthéon de particules à interaction faible qu’on n’a pas encore découvert. Les axions sont l’un des candidats de la en sachant que la recherche de l’autre candidat favori, les WIMPS, n’a donné aucun résultat jusqu’à présent.

Dans les années qui ont suivirent, Arvanitaki et ses collègues ont développé leur idée dans plusieurs papiers. Mais l’annonce de février a été un tournant puisqu’il est désormais possible de tester ces idées. L’étude des , provenant de la fusion de trous noirs, permettra aux physiciens de chercher ces axions puisque les axions seraient liés aux trous noirs dans ce qu’Arvanitaki appelle comme l’atome du trou noir. La découverte des ondes gravitationnelles ouvre de nouvelles opportunités puisque cela devient une autre histoire quand on a des données.

Arvanitaki veut utiliser des idées théoriques avec des expériences précises qui permettent de tester les hypothèses. En pensant différemment par rapport aux autres physiciens, on peut trouver un élément perturbateur qui est présent dans les données selon Arvanitaki. À la fin du mois d’avril 2016, elle a été nommée comme la chaire Aristarchus de la Stavros Niarchos Foundation, la première femme à obtenir une chaire de recherche au Perimeter Institute.

Ce fut un long chemin pour quelqu’un qui a grandi dans le petit village grec de Koklas quand elle allait dans une classe qui avait seulement 9 élèves. Quanta Magazine a interviewé Arvanitaki sur son plan d’utiliser des trous noirs comme des détecteurs de particules.
QUANTA MAGAZINE : Quand est-ce que vous avez commencé à penser que les trous noirs permettent de chercher des axions ?

: Quand nous écrivions notre papier sur l’Axiverse, Nemanja Kaloper, un physicien spécialiste de la relativité générale nous a dit : Est-ce que vous saviez qu’il y a un effet dans la relativité générale appelé Superradiance ? Et nous avons dit que non, que cela ne peut pas se produire. C’est impossible dans un système réaliste. Et il nous a convaincus que c’était possible et nous avons passé un an à analyser la dynamique.

QUANTA MAGAZINE : Qu’est-ce que la superradiance et comment ça fonctionne ?

ASIMINA ARVANITAKI : Un trou noir peut tourner. Il y a une région autour du trou noir qu’on appelle l’Ergo-région où même la lumière doit tourner. Imaginons que je prends un morceau de matière et que je la jette dans une trajectoire qui va vers l’Ergo-Région. Maintenant, imaginons que vous avez des explosifs dans cette matière qui la pulvérise en morceaux. Une partie va tomber dans le trou noir et l’autre va s’échapper vers l’infini. La partie qui s’échappe possède plus d’énergie totale que celle qui est tombée dans le trou noir. Vous pouvez effectuer la même expérience en éparpillant le rayonnement d’un trou noir. Prenez une impulsion d’onde électromagnétique, éparpillez-la à partir d’un trou noir et vous verrez que l’impulsion, qui revient vers vous, possédera une amplitude plus élevée.

QUANTA MAGAZINE : Donc, vous pouvez envoyer une impulsion de lumière à côté d’un trou noir de telle manière qu’elle va prendre une certaine énergie et moment cinétique de la rotation du trou noir ?

ASIMINA ARVANITAKI : C’est une chose qu’on connait depuis très longtemps. En 1978, Press et Teukolsky ont écrit un papier dans la revue Nature qui suggérait la chose suivante. Imaginons que vous effectuiez la même expérience avec la lumière, mais que vous supposez aussi que le trou noir est entouré par un miroir géant. Dans ce cas, la lumière va rebondir sur le miroir à plusieurs reprises, l’amplitude de la lumière va augmenter de manière exponentielle et le miroir va éventuellement exploser sous la pression du rayonnement. Ils l’avaient appelé comme la bombe du trou noir.

C’est possible de le faire avec la lumière, car celle-ci est composée de photons et les photons sont des bosons. Et les bosons sont des particules qui peuvent être dans le même espace dans le même temps avec la même fonction d’onde. Maintenons, imaginons que vous avez un autre boson qui possède une masse. Il peut tourner autour du trou noir. La masse de la particule agit comme un miroir parce qu’elle confine la particule dans le voisinage du trou noir.

QUANTA MAGAZINE : De cette manière, les axions peuvent être bloqués autour d’un trou noir ?

ASIMINA ARVANITAKI : Ce processus nécessite que la taille de la particule soit comparable à la taille du trou noir. Et il s’avère que la masse d’un peut être n’importe quoi à partir de la constante d’Hubble avec une longueur d’onde quantique qui peut être aussi grande que l’univers ou vous pouvez aussi avoir une particule qui possède une taille très minimale.

QUANTA MAGAZINE : Donc, s’ils existent, les axions peuvent se connecter aux trous noirs avec une taille et une masse similaire. Et ensuite ?

ASIMINA ARVANITAKI : Le résultat est que le nombre de particules va augmenter exponentiellement dans cette orbite liée. Dans le même temps, la rotation du trou noir va baisser. Si vous résolvez les fonctions d’onde des orbites de la connexion, alors vous trouverez qu’elles ressemblent aux fonctions d’onde de l’hydrogène. Au lieu que ce soit l’électromagnétisme qui associe votre atome, ce sera la gravitation. Il y a 3 nombres quantiques que vous pouvez décrire. Et vous pouvez utiliser la même terminologie que vous utilisez dans l’atome d’hydrogène.

QUANTA MAGAZINE : Comment peut-on vérifier si l’un des trous noirs, détecté par le LIGO, possède des nuages d’axions qui orbitent autour du noyau de trou noir ?

ASIMINA ARVANITAKI : C’est un processus qui extrait l’énergie et le moment cinétique provenant du trou noir. Si vous mesurez la rotation contre la masse des trous noirs, alors vous devriez voir que dans une certaine fourchette de masse, il n’y a pas de trous noirs en rotation rapide. C’est là que l’Advanced LIGO entre en jeu. Vous avez vu l’événement qu’ils ont vu. Les mesures leur ont permis de mesurer la masse des objets en fusion, la masse de l’objet final et la rotation de cet objet final et on a aussi des informations sur la rotation des objets de base.

Si je devais prendre les rotations des trous noirs avant leur fusion, alors ils ont pu être affectés par la superradiance. Maintenant, imaginez un graphe de la rotation d’un trou noir contre sa masse. L’Advanced LIGO pourrait détecter, si ce qu’on entend est vrai, un millier d’événements par an. Et donc, vous avez des milliers de points de données pour tester le processus. Et vous pourrez retracer la région qui est affectée par cette particule avec ces mesures.

QUANTA MAGAZINE : Ce serait super cool !

ASIMINA ARVANITAKI : Mais cela reste indirect. L’autre chose cool est que les signatures ont quelque chose à voir avec le nuage des particules. Et en principe, cela va transformer le trou noir en un laser d’ondes gravitationnelles.

QUANTA MAGAZINE : Génial, mais qu’est-ce que ça signifie ?

ASIMINA ARVANITAKI : Oui, la signification est importante. De la même manière que vous avez des transitions d’électrons dans un atome excité, vous avez des transitions de particules dans un atome d’onde gravitationnelle. Le taux d’émission d’onde gravitationnelle provenant de ces transitions est augmenté par les 1080 particules que vous avez. Ce serait une ligne très monochromatique. Ce ne serait pas transitoire. Imaginez quelque chose qui émettrait un signal à une fréquence fixe.

QUANTA MAGAZINE : Où le LIGO pourrait-il voir ce type de signal ?

ASIMINA ARVANITAKI : Dans l’Advanced LIGO, vous pouvez voir la naissance d’un trou noir. Vous savez quand et où un trou noir est né avec une certaine masse et une rotation. Et si vous connaissez les masses des particules que vous cherchez, alors vous pouvez prédire quand le trou noir va développer un nuage d’axions autour de lui. Vous pourriez le voir dans une fusion aujourd’hui ou dans 10 ans, mais les axions reviendront dans la même position et ils activeront le laser. Et vous pourriez voir la ligne monochromatique qui émane de ce nuage.

Vous pouvez aussi faire une recherche en aveugle. Étant donné que vous avez des trous noirs en balade dans l’univers, vous pourrez toujours découvrir le nuage restant autour d’eux et vous pourrez faire une recherche en aveugle pour des ondes gravitationnelles monochromatiques.

QUANTA MAGAZINE : Étiez-vous surpris que les axions et les trous noirs puissent provoquer des effets aussi dramatiques ?

ASIMINA ARVANITAKI : Oh mon dieu oui ! De quoi est-ce que vous parlez ? Nous avions des attaques de panique. On ne compte plus le nombre de poussées d’angoisse quand on a étudié cet effet. Ça ne peut pas être vrai, c’est trop beau pour être vrai. Donc oui, c’était une surprise.

QUANTA MAGAZINE : Les expériences que vous suggérez détonnent complètement avec de nombreuses idées théoriques. On a la recherche d’ondes gravitationnelles à haute fréquence ou le test sur la matière noire pour déterminer si elle oscille en utilisant des horloges atomiques. Ce sont des paris risqués sur des physiques au-delà du modèle standard. Quelles sont les hypothèses qui en valent la peine ?

ASIMINA ARVANITAKI : On se concentre ce qui nous motive. On a beaucoup de gens qui parlent de la matière noire. On a des dizaines d’idées. Par exemple, la supersymétrie prédit les différents types de matière noire. La théorie des cordes prédit les types de particules qu’on pourrait avoir. Il y a une raison sous-jacente sur la présence de ces particules. Ce n’est pas juste le fait d’avoir des hypothèses théoriques à l’infini.

QUANTA MAGAZINE : Et les axions remplissent cette définition ?

ASIMINA ARVANITAKI : C’est une particule qui a été proposée il y a 30 ans pour expliquer la petitesse du moment de dipôle électrique d’un neutron. Il y a des expériences à différentes longueurs d’onde qui le cherchent dans le monde. On cherche l’axion depuis 30 ans et il pourrait être la matière noire. Cette particule résout un gros problème du modèle standard et on doit la chercher par tous les moyens. Nous devons la chercher, mais je ne peux pas répondre à la place de la nature. À la fin, c’est la nature qui nous dira si on avait raison de la chercher ou non.

 

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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