Le phénomène cosmique prédit par Einstein pourrait briser la physique telle que nous la connaissons

Le 11 février, 2016, les chercheurs du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ont annoncé la détection des ondes gravitationnelles pour la première fois. Comme le prédit la théorie générale de la relativité d’Einstein, ces ondes résultent de la fusion d’objets massifs, ce qui provoque des ondulations dans l’espace-temps qui peuvent être détectées.

Depuis lors, les astrophysiciens ont théorisé d’innombrables façons d’utiliser les ondes gravitationnelles pour étudier la physique au-delà des modèles standard de gravité et de physique des particules et faire progresser notre compréhension de l’Univers.

À ce jour, les ondes gravitationnelles ont été proposées comme moyen d’étudier la matière noire, l’intérieur des étoiles à neutrons et des supernovae, les fusions entre les trous noirs supermassifs, etc.

quoi de neuf – Dans une étude récente, une équipe de physiciens de l’Université d’Amsterdam et de l’Université de Harvard a proposé un moyen d’utiliser les ondes gravitationnelles pour rechercher des bosons ultralégers autour des trous noirs en rotation. Cette méthode pourrait non seulement offrir une nouvelle façon de discerner les propriétés des trous noirs binaires, mais pourrait conduire à la découverte de nouvelles particules au-delà du modèle standard.

La recherche a été menée par des chercheurs du Gravitation Astroparticle Physics Amsterdam (GRAPPA), à l’Université d’Amsterdam, avec le soutien du Centre de physique théorique et du Centre national des sciences théoriques de l’Université de Taipei (Taiwan) et de l’Université de Harvard. . L’article qui décrit leur travail, intitulé “Sharp Signals of Boson Clouds in Black Hole Binary Inspirals”, est récemment paru dans le Lettres d’examen physique.

C’est un fait bien connu que la matière normale tombera vers les trous noirs au fil du temps, ce qui formera un disque d’accrétion autour de son bord extérieur (aka. Event Horizon). Ce disque sera accéléré à des vitesses incroyables, provoquant une surchauffe du matériau à l’intérieur et libérant d’énormes quantités de rayonnement tout en s’accrétant lentement sur la face du trou noir. Cependant, au cours des dernières décennies, les scientifiques ont observé que les trous noirs perdraient une partie de leur masse grâce à un processus appelé “superradiance”.

Ce phénomène a été étudié par Stephen Hawking, qui a décrit comment les trous noirs en rotation émettraient un rayonnement qui semblerait “réel” à un observateur proche, mais “virtuel” à un observateur distant. Dans le processus de transfert de ce rayonnement d’un référentiel à un autre, l’accélération de la particule elle-même la ferait passer du virtuel au réel. Cette forme d’énergie exotique, connue sous le nom de “Hawking Radiation”, formera des nuages ​​de particules de faible masse autour d’un trou noir. Cela conduit à un “atome gravitationnel”, ainsi nommé parce qu’il ressemble à des atomes ordinaires (nuages ​​de particules entourant un noyau)

Bien que les scientifiques sachent que ce phénomène se produit, ils comprennent également qu’il ne peut s’expliquer que par l’existence d’une nouvelle particule ultralégère qui existe au-delà du modèle standard. C’était l’objet du nouvel article, où l’auteur principal Daniel Baumann (GRAPPA et Université de Taipei) et ses collègues ont examiné comment la superradiance provoque la formation spontanée de nuages ​​instables de bosons ultralégers autour des trous noirs. De plus, ils suggèrent que les similitudes entre les atomes gravitationnels et réguliers vont plus loin que leur structure.

En bref, ils suggèrent que les trous noirs binaires pourraient provoquer l’ionisation des particules dans leurs nuages ​​via l’effet photoélectrique. Comme décrit par Einstein, cela se produit lorsque l’énergie électromagnétique (telle que la lumière) entre en contact avec un matériau, le faisant émettre des électrons excités (photoélectrons). Lorsqu’ils sont appliqués à un trou noir binaire, Baumann et ses collègues montrent comment des nuages ​​de bosons ultra-légers pourraient absorber “l’énergie orbitale” d’un compagnon de trou noir. Cela entraînerait l’éjection et l’accélération de certains bosons, comme en témoignent les signaux d’ondes gravitationnelles associés au trou noir.

Enfin, ils ont démontré comment ce processus pouvait considérablement modifier l’évolution des trous noirs binaires en réduisant le temps nécessaire à la fusion des objets. Comme ils le disent :

“L’énergie orbitale perdue dans ce processus peut dépasser les pertes dues à l’émission GW, de sorte que l’ionisation entraîne l’inspiration plutôt que de simplement la perturber. Nous montrons que la puissance d’ionisation contient des caractéristiques nettes qui conduisent à des «plis» distinctifs dans l’évolution de la fréquence GW émise.

Ces « défauts », affirment-ils, seront perceptibles par les interféromètres à ondes gravitationnelles de nouvelle génération comme l’antenne spatiale de l’interféromètre laser (LISA). Ce processus pourrait être utilisé pour découvrir une toute nouvelle classe de particules ultralégères et fournir des informations directes sur la masse et l’état des nuages ​​« d’atomes gravitationnels ». En bref, les études en cours sur les ondes gravitationnelles à l’aide d’interféromètres plus sensibles pourraient révéler une physique exotique qui fera progresser notre compréhension des trous noirs et conduira à de nouvelles percées en physique des particules.

C’est l’une des nombreuses possibilités qui ont été aventurées grâce à la révolution en cours avec l’astronomie des ondes gravitationnelles. Dans les années à venir, les astrophysiciens espèrent les utiliser pour sonder les environnements les plus extrêmes de l’Univers, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons. Ils espèrent également que les ondes gravitationnelles primordiales révéleront des choses sur l’Univers primitif, aideront à résoudre le mystère du déséquilibre matière/anti-matière et conduiront à une théorie quantique de la gravité (alias une théorie du tout).

Cet article a été initialement publié le Univers aujourd’hui par Matt Williams. Lisez l’article original ici.

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