Les astrophysiciens découvrent le lien entre les trous noirs supermassifs et la matière noire pour résoudre le problème du "dernier parsec"

22 juillet 2024

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par l'Université de Toronto

Des chercheurs ont trouvé un lien entre certains des plus grands et des plus petits objets de l'univers : les trous noirs supermassifs et les particules de matière noire.

Leurs nouvelles calculs révèlent que des paires de trous noirs supermassifs (SMBH) peuvent fusionner pour former un seul trou noir plus grand en raison d'un comportement des particules de matière noire précédemment négligé, proposant ainsi une solution au problème de la 'dernière parsec' en astronomie.

La recherche est décrite dans 'La matière noire auto-interagissante résout le problème de la dernière parsec des fusions de trous noirs supermassifs', publiée ce mois-ci dans la revue Physical Review Letters.

En 2023, les astrophysiciens ont annoncé la détection d'un 'bourdonnement' d'ondes gravitationnelles imprégnant l'univers. Ils ont émis l'hypothèse que ce signal de fond émanait de millions de paires de SMBH en train de fusionner, chacun des deux étant des milliards de fois plus massif que notre soleil.

Cependant, des simulations théoriques ont montré que lorsque des paires de ces objets célestes gigantesques et en spirale se rapprochaient, leur approche s'arrêtait lorsqu'ils étaient à peu près à une parsec de distance, ce qui équivaut à environ trois années-lumière, empêchant ainsi une fusion.

Non seulement ce 'problème de la dernière parsec' était en conflit avec la théorie selon laquelle les SMBH fusionnaient étaient la source du signal de fond d'ondes gravitationnelles, mais il était également en contradiction avec la théorie selon laquelle les SMBHs grandissaient à partir de la fusion de trous noirs moins massifs.

'Nous montrons qu'en incluant l'effet précédemment négligé de la matière noire, les trous noirs supermassifs peuvent surmonter cette dernière parsec de séparation et fusionner', déclare Gonzalo Alonso-Álvarez, co-auteur de l'article et boursier postdoctoral au Département de physique de l'Université de Toronto et au Département de physique et à l'Institut de l'espace Trottier de l'Université McGill. 'Nos calculs expliquent comment cela peut se produire, contrairement à ce qui était pensé auparavant.'

Les co-auteurs de l'article comprennent le professeur James Cline de l'Université McGill et du Département de physique théorique du CERN en Suisse, ainsi que Caitlyn Dewar, une étudiante en maîtrise en physique à McGill.

Il est généralement admis que les SMBH se trouvent au centre de la plupart des galaxies et lorsque deux galaxies entrent en collision, les SMBH tombent en orbite l'un autour de l'autre. En tournant autour de l'autre, l'attraction gravitationnelle des étoiles proches les attire et les ralentit. En conséquence, les SMBH spiralent vers une fusion.

Les modèles de fusion précédents ont montré que lorsque les SMBH étaient à peu près à une parsec de distance, ils commençaient à interagir avec le nuage ou le halo de matière noire dans lequel ils étaient incorporés. Ils ont indiqué que la gravité des SMBH en spirale éjectait les particules de matière noire du système et que la rareté de la matière noire résultante faisait en sorte que l'énergie n'était pas extraite de la paire et que leurs orbites mutuelles ne diminuaient plus.

Alors que ces modèles rejetaient l'impact de la matière noire sur les orbites des SMBH, le nouveau modèle d'Alonso-Álvarez et de ses collègues révèle que les particules de matière noire interagissent les unes avec les autres de telle manière qu'elles ne sont pas dispersées. La densité du halo de matière noire reste suffisamment élevée pour que les interactions entre les particules et les SMBH continuent de dégrader les orbites des SMBH, ouvrant la voie à une fusion.

'La possibilité que les particules de matière noire interagissent les unes avec les autres est une hypothèse que nous avons formulée, un ingrédient supplémentaire que tous les modèles de matière noire ne contiennent pas', déclare Alonso-Álvarez. 'Notre argument est que seuls les modèles avec cet ingrédient peuvent résoudre le problème de la dernière parsec.'

Le bourdonnement de fond généré par ces collisions cosmiques colossales est composé d'ondes gravitationnelles de bien plus longue longueur d'onde que celles détectées pour la première fois en 2015 par des astrophysiciens travaillant sur l'observatoire d'ondes gravitationnelles interférométrique laser (LIGO). Ces ondes gravitationnelles ont été générées par la fusion de deux trous noirs, chacun d'eux étant environ 30 fois la masse du soleil.

Le bourdonnement en arrière-plan a été détecté ces dernières années par des scientifiques travaillant sur le Réseau de chronométrage de pulsars. Le réseau révèle les ondes gravitationnelles en mesurant de minuscules variations dans les signaux provenant de pulsars, des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent de puissantes impulsions radio.

'Une prédiction de notre proposition est que le spectre des ondes gravitationnelles observées par les réseaux de chronométrage de pulsars devrait être adouci à basses fréquences', déclare Cline. 'Les données actuelles suggèrent déjà ce comportement, et de nouvelles données pourraient le confirmer dans les prochaines années.'

En plus d'apporter des éclaircissements sur les fusions de SBMH et le signal de fond d'ondes gravitationnelles, le nouveau résultat offre également un aperçu sur la nature de la matière noire.