Les trous noirs pourraient, dans leurs ondes gravitationnelles, dévoiler la présence de matière noire dans leur environnement immédiat.
Les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein, sont des ondulations de l’espace-temps. Elles voyagent à la vitesse de la lumière et surgissent lors des événements les plus violents de l’Univers, comme lorsque deux trous noirs fusionnent. En tournant l’un autour de l’autre puis en entrant en collision, ces astres massifs libèrent une énergie colossale qui déforme le tissu cosmique.
Crédit: Maggie Chiang pour Simons Foundation
Pour capter ces infimes vibrations, les interféromètres LIGO et Virgo mesurent des variations de distance avec une précision inouïe – de l’ordre du milliardième de la largeur d’un atome. Chaque fusion de trous noirs produit un signal caractéristique en forme de gazouillis (chirp), dont la forme dépend des masses, de la rotation et de l’environnement des astres.
Les scientifiques analysent ce signal pour déduire les propriétés des objets en fusion. Si l’environnement n’est pas vide mais contient de la matière noire, l’onde en portera une empreinte. Des modèles récents permettent de distinguer les deux cas, offrant un instrument pour sonder la matière noire à distance.
Invisible car elle n’émet ni n’absorbe de lumière, la matière noire ne peut être observée que par son attraction gravitationnelle sur ce qui est visible – par exemple lors de la rotation des galaxies ou de la déformation de la lumière.
Selon une théorie, la matière noire pourrait être constituée de particules ultralégères. Près d’un trou noir en rotation, ces particules se comportent comme des ondes. Le trou noir peut alors leur transférer une partie de son énergie de rotation via un mécanisme nommé superradiance, ce qui accroît fortement la densité de matière noire environnante.
Lorsque cette densité atteint un seuil critique, elle imprime une signature dans les ondes gravitationnelles émises lors d’une fusion. Les chercheurs ont modélisé cet effet et explorent les données des observatoires pour le détecter. La superradiance constitue ainsi un mécanisme naturel pour concentrer la matière noire autour des trous noirs, rendant son étude possible.
