Des astrophysiciens recherchent des signaux d’ondes gravitationnelles à partir de nuages ​​de bosons ultralégers

Les théories de la physique au-delà du modèle standard permettent la production de bosons ultralégers – des particules hypothétiques avec des masses inférieures à un milliardième de la masse d’un électron – qui pourraient constituer une partie ou la totalité de la matière noire. Si de telles particules subatomiques existent, elles pourraient apparaître autour des trous noirs en rotation en raison des fluctuations quantiques. Dans un article publié cette semaine sur le serveur de préimpression arXiv.org, les astrophysiciens de la LIGO Scientic Collaboration, de la Virgo Collaboration et de la KAGRA Collaboration ont décrit la première recherche dans le ciel de signaux d’ondes gravitationnelles quasi-monochromatiques de longue durée émis par des nuages ​​de bosons scalaires ultralégers autour des trous noirs en rotation à l’aide des données du troisième cycle d’observation des détecteurs Advanced LIGO.

« Notre étude est la première étude sur tout le ciel au monde conçue pour rechercher des ondes gravitationnelles prédites provenant d’éventuels nuages ​​de bosons à proximité de trous noirs en rotation rapide », a déclaré le Dr Lilli Sun, astrophysicienne au Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles. (OzGrav) à l’Université nationale australienne.

« Il est presque impossible de détecter ces particules de bosons ultralégers sur Terre. Ces particules, si elles existent, ont une masse extrêmement faible et interagissent rarement avec d’autres matières, ce qui est l’une des propriétés clés que la matière noire semble avoir.

“En recherchant les ondes gravitationnelles émises par ces nuages, nous pourrons peut-être retrouver ces particules de bosons insaisissables et éventuellement déchiffrer le code de la matière noire.”

“Nos recherches pourraient également permettre d’exclure certaines particules de bosons ultralégers qui, selon nos théories, pourraient exister mais n’existent pas en réalité.”

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO ont permis aux chercheurs d’examiner l’énergie des trous noirs en rotation rapide extraits par de tels nuages ​​s’ils existent.

“Nous pensons que ces trous noirs piègent un grand nombre de particules de bosons dans leur puissant champ de gravité, créant un nuage en corotation avec eux”, a déclaré le Dr Sun.

“Cette danse délicate se poursuit pendant des millions d’années et continue de générer des ondes gravitationnelles qui déferlent dans l’espace.”

Bien que l’équipe n’ait pas encore détecté d’ondes gravitationnelles provenant de nuages ​​de bosons, la science des ondes gravitationnelles avait “ouvert des portes qui étaient auparavant verrouillées pour les scientifiques”.

“Les découvertes d’ondes gravitationnelles ne fournissent pas seulement des informations sur les mystérieux objets compacts de l’Univers, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons, elles nous permettent également de rechercher de nouvelles particules et de la matière noire”, a déclaré le Dr Sun.

« Les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles ouvriront certainement plus de possibilités. Nous pourrons aller plus loin dans l’Univers et découvrir plus d’informations sur ces particules. »

« Par exemple, la découverte de nuages ​​de bosons à l’aide de détecteurs d’ondes gravitationnelles apporterait des informations importantes sur la matière noire et aiderait à faire avancer d’autres recherches sur la matière noire. Cela ferait également progresser notre compréhension de la physique des particules plus largement. »

Dans une autre percée importante, l’étude a également fait la lumière sur la possibilité que des nuages ​​de bosons existent dans notre propre galaxie de la Voie lactée en tenant compte de leur âge.

“La force de toute onde gravitationnelle dépend de l’âge du nuage, les plus anciens envoyant des signaux plus faibles”, a déclaré le Dr Sun.

“Le nuage de bosons se rétrécit à mesure qu’il perd de l’énergie en envoyant des ondes gravitationnelles.”

“Nous avons appris qu’un type particulier de nuage de bosons de moins de 1 000 ans n’existera probablement nulle part dans notre Galaxie, tandis que les nuages ​​​​qui ont jusqu’à 10 millions d’années n’existeront probablement pas à moins de 3 260 années-lumière de la Terre.”

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R. Abbott et al. (La collaboration scientifique LIGO, la collaboration Virgo et la collaboration KAGRA). 2021. Recherche dans tout le ciel de l’émission d’ondes gravitationnelles des nuages ​​de bosons scalaires autour des trous noirs en rotation dans les données LIGO O3. arXiv : 2111.15507