Les futures observations de trous noirs par LISA pourraient révéler l'existence de particules inconnues beaucoup plus légères que celles détectées dans les accélérateurs.
L'idée repose sur un effet étonnant autour des trous noirs en rotation. Certaines particules hypothétiques, appelées bosons ultralégers, pourraient s'accumuler autour d'eux. Cette concentration prélèverait progressivement une partie de leur rotation. Elle pourrait aussi produire des ondes gravitationnelles, c'est-à -dire de minuscules déformations de l'espace et du temps.
Vue d’artiste de deux trous noirs en cours de fusion, une source d’ondes gravitationnelles que LISA pourra étudier.
Crédit : ESA
Ces particules n'ont encore jamais été détectées. Leur masse serait extrêmement faible, très loin de celle des particules ordinaires. Les rechercher directement est donc difficile. Les trous noirs peuvent offrir une autre méthode : leur masse et leur vitesse de rotation garderaient la trace de l'énergie perdue si ces particules existent.
C'est ici qu'intervient LISA, un futur observatoire spatial développé par l'Agence spatiale européenne avec la NASA. Trois engins séparés par des millions de kilomètres mesureront des variations infimes de distance. L'instrument sera notamment sensible aux ondes gravitationnelles produites par la fusion de trous noirs bien plus massifs que le Soleil.
Les chercheurs ont étudié deux méthodes complémentaires. La première consiste à mesurer la rotation des trous noirs avant leur fusion. Certaines combinaisons de masse et de rotation deviendraient rares si des bosons ultralégers leur retiraient efficacement de l'énergie.
Schéma d’un trou noir en rotation entouré d’un nuage de bosons ultralégers.
Crédit : Richard Brito, Vitor Cardoso et Paolo Pani / LIGO Scientific Collaboration
La seconde méthode intervient après la fusion. Le trou noir nouvellement formé pourrait s'entourer d'un nuage de bosons et émettre ensuite un signal gravitationnel presque continu. LISA pourrait rechercher ce signal après avoir déjà localisé la fusion, ce qui réduirait la partie du ciel à examiner.
Les simulations indiquent que les mesures de rotation pourraient tester plusieurs plages de masses de bosons. Pour les particules de type scalaire, la plage étudiée s'étend d'environ 5 × 10-18 à 10-14 électronvolts. Pour les bosons vectoriels, elle va d'environ 6 × 10-19 à 2 × 10-14 électronvolts.
Ces nombres restent très dépendants de la population réelle de trous noirs massifs. Les chercheurs ont donc comparé trois scénarios décrivant leur formation. Selon le scénario retenu, la probabilité de détecter un signal après une fusion peut aller d'une valeur très faible à une valeur presque certaine pour certaines masses de bosons vectoriels.
LISA n'est pas encore en service, et l'étude présente des prévisions issues de simulations. Les futures données permettront de confronter ces scénarios à de véritables fusions. Mesurer simultanément la masse, la rotation et les signaux persistants après la collision offrira alors plusieurs tests indépendants d'une même particule hypothétique.