Certains bosons ultralégers devraient freiner les trous noirs, mais de nouveaux résultats ne montrent pas un tel ralentissement – Technoguide

Les bosons ultralégers sont des particules hypothétiques dont la masse est estimée à moins d’un milliardième de la masse d’un électron. Ils interagissent relativement peu avec leur environnement et ont jusqu’à présent échappé aux recherches pour confirmer leur existence. S’ils existent, les bosons ultralégers tels que les axions seraient probablement une forme de matière noire, la substance mystérieuse et invisible qui représente 85% de la matière dans l’univers.

Maintenant, les physiciens du laboratoire LIGO du MIT ont recherché des bosons ultralégers à l’aide de trous noirs – des objets qui sont des ordres de grandeur hallucinants plus massifs que les particules elles-mêmes. Selon les prédictions de la théorie quantique, un trou noir d’une certaine masse devrait attirer des nuages ​​de bosons ultralégers, qui à leur tour devraient ralentir collectivement la rotation d’un trou noir. Si les particules existent, alors tous les trous noirs d’une masse particulière devraient avoir des spins relativement faibles.

Mais les physiciens ont découvert que deux trous noirs précédemment détectés tournent trop vite pour avoir été affectés par des bosons ultralégers. En raison de leurs grands spins, l’existence des trous noirs exclut l’existence de bosons ultralégers avec des masses comprises entre 1,3×10-13 électronvolts et 2,7×10-13 électronvolts – environ un quintillionième de la masse d’un électron.

Les résultats de l’équipe, publiés aujourd’hui dans Physical Review Letters, affinent encore la recherche d’axions et d’autres bosons ultralégers. L’étude est également la première à utiliser les spins de trous noirs détectés par LIGO et Virgo, ainsi que les données d’ondes gravitationnelles, pour rechercher de la matière noire.

«Il existe différents types de bosons, et nous en avons sondé un», déclare le co-auteur Salvatore Vitale, professeur adjoint de physique au MIT. “Il peut y en avoir d’autres, et nous pouvons appliquer cette analyse à l’ensemble de données croissant que LIGO et Virgo fourniront au cours des prochaines années.”

Les co-auteurs de Vitale sont l’auteur principal Kwan Yeung (Ken) Ng, un étudiant diplômé de l’Institut Kavli pour l’astrophysique et la recherche spatiale du MIT, ainsi que des chercheurs de l’Université d’Utrecht aux Pays-Bas et de l’Université chinoise de Hong Kong.

L’énergie d’un carrousel

Les bosons ultralégers sont recherchés dans une vaste gamme de masses ultra-légères, allant de 1×10-33 électronvolts à 1×10-6 électronvolts. Les scientifiques ont jusqu’à présent utilisé des expériences sur table et des observations astrophysiques pour exclure des éclats de ce vaste espace de masses possibles. Depuis le début des années 2000, les physiciens ont proposé que les trous noirs pourraient être un autre moyen de détecter les bosons ultralégers, en raison d’un effet connu sous le nom de superradiance.

Si des bosons ultralégers existent, ils pourraient interagir avec un trou noir dans les bonnes circonstances. La théorie quantique postule qu’à très petite échelle, les particules ne peuvent pas être décrites par la physique classique, ni même comme des objets individuels. Cette échelle, connue sous le nom de longueur d’onde Compton, est inversement proportionnelle à la masse des particules.

Comme les bosons ultralégers sont exceptionnellement légers, leur longueur d’onde devrait être exceptionnellement grande. Pour une certaine gamme de masse de bosons, leur longueur d’onde peut être comparable à la taille d’un trou noir. Lorsque cela se produit, la superradiance devrait se développer rapidement. Des bosons ultralégers sont ensuite créés à partir du vide autour d’un trou noir, en quantités suffisamment grandes pour que les minuscules particules traînent collectivement sur le trou noir et ralentissent sa rotation.

«Si vous sautez sur puis descendez d’un carrousel, vous pouvez voler l’énergie du carrousel», explique Vitale. “Ces bosons font la même chose à un trou noir.”

Les scientifiques pensent que ce ralentissement du boson peut se produire sur plusieurs milliers d’années – relativement rapidement sur des échelles de temps astrophysiques.

«Si les bosons existent, nous nous attendrions à ce que les anciens trous noirs de la masse appropriée n’aient pas de grands spins, puisque les nuages ​​de bosons en auraient extrait la plus grande partie», dit Ng. «Cela implique que la découverte d’un trou noir avec de grands spins peut exclure l’existence de bosons avec certaines masses.

Tourner vers le haut, tourner vers le bas

Ng et Vitale ont appliqué ce raisonnement aux mesures de trous noirs effectuées par LIGO, le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, et son détecteur compagnon Virgo. Les détecteurs «écoutent» les ondes gravitationnelles ou les réverbérations de cataclysmes lointains, tels que la fusion de trous noirs, appelés binaires.

Dans leur étude, l’équipe a examiné les 45 binaires de trous noirs rapportés par LIGO et Virgo à ce jour. Les masses de ces trous noirs – entre 10 et 70 fois la masse du soleil – indiquent que s’ils avaient interagi avec des bosons ultralégers, les particules auraient été entre 1×10-13 électronvolts et 2×10-11 électronvolts en masse.

Pour chaque trou noir, l’équipe a calculé la rotation qu’il devrait avoir si le trou noir était entraîné par des bosons ultralégers dans la plage de masse correspondante. De leur analyse, deux trous noirs se sont démarqués: GW190412 et GW190517. Tout comme il existe une vitesse maximale pour les objets physiques – la vitesse de la lumière – il y a une rotation maximale à laquelle les trous noirs peuvent tourner. GW190517 tourne à près de ce maximum. Les chercheurs ont calculé que si des bosons ultralégers existaient, ils auraient retardé sa rotation d’un facteur deux.

«S’ils existaient, ces choses auraient absorbé beaucoup de moment cinétique», dit Vitale. «Ce sont vraiment des vampires.

Les chercheurs ont également pris en compte d’autres scénarios possibles pour générer les grands spins des trous noirs, tout en permettant toujours l’existence de bosons ultralégers. Par exemple, un trou noir aurait pu être filé par des bosons, mais ensuite accéléré à nouveau par des interactions avec le disque d’accrétion environnant – un disque de matière à partir duquel le trou noir pourrait aspirer de l’énergie et de l’élan.

«Si vous faites le calcul, vous trouvez qu’il faut trop de temps pour créer un trou noir au niveau que nous voyons ici», dit Ng. “Donc, nous pouvons ignorer en toute sécurité cet effet de spin-up.”

En d’autres termes, il est peu probable que les spins élevés des trous noirs soient dus à un scénario alternatif dans lequel des bosons ultralégers existent également. Compte tenu des masses et des spins élevés des deux trous noirs, les chercheurs ont pu exclure l’existence de bosons ultralégers avec des masses comprises entre 1,3×10-13 électronvolts et 2,7×10-13 électronvolts.

«Nous avons essentiellement exclu certains types de bosons dans cette gamme de masse», déclare Vitale. “Ce travail montre également comment les détections d’ondes gravitationnelles peuvent contribuer à la recherche de particules élémentaires.”

Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation.

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