Une nouvelle étude utilise la matière noire auto-interagissante pour résoudre le problème du parsec final

Dans une nouvelle étude, des scientifiques canadiens ont proposé une solution au problème du parsec final des fusions de trous noirs supermassifs (SMBH) en utilisant de la matière noire auto-interagissante.

Lorsque deux galaxies fusionnent, le gaz et la poussière entrent en collision, ce qui conduit à la formation d’étoiles. Cependant, les étoiles elles-mêmes n’entrent pas en collision en raison de leurs grandes distances. Les SMBH au centre des deux galaxies commencent également à fusionner.

Cependant, la fusion des trous noirs s’arrête lorsqu’ils sont séparés par 1 parsec (ou 30,9 trillions de kilomètres). Ce problème est connu sous le nom de « problème du parsec final » en astronomie et en astrophysique.

L’étude, publiée dans Lettres d’examen physique (PRL)tente de résoudre ce problème et d’expliquer le spectre des ondes gravitationnelles observé en 2021 par les collaborations Pulsar Timing Array.

Phys.org s’est entretenu avec le premier auteur de l’étude, le Dr Gonzalo Alonso Alvarez, postdoctorant à l’Université de Toronto.

« Ce qui nous a le plus frappé lorsque les collaborations du Pulsar Timing Array ont annoncé la preuve d’un spectre d’ondes gravitationnelles, c’est qu’il y avait de la place pour tester de nouveaux scénarios de physique des particules, en particulier les auto-interactions de la matière noire, même dans le cadre de l’explication astrophysique standard des fusions de trous noirs supermassifs », a-t-il déclaré.

Pourquoi s’arrêter à 1 parsec ?

Lorsque les SMBH de deux galaxies en fusion sont séparés d’un parsec, deux phénomènes contradictoires entrent en jeu.

Tout d’abord, les grands objets comme un SMBH provoquent des ondulations dans l’espace-temps, ce qui conduit à la formation d’ondes gravitationnelles qui se propagent dans tout l’espace-temps. Ces ondes gravitationnelles emportent l’énergie loin de la source. Lorsque deux SMBH fusionnent, les ondes gravitationnelles emportent l’énergie loin de la fusion, ce qui provoque une spirale plus rapide des trous noirs vers l’intérieur.

La deuxième force est une force de frottement appelée frottement dynamique. Lorsque des objets massifs comme les trous noirs traversent un milieu (comme la poussière et les étoiles), ils laissent derrière eux une traînée de fluide perturbé appelée sillage. Par exemple, lorsqu’un navire se déplace dans l’eau, il laisse derrière lui une traînée d’eau turbulente : c’est son sillage.

Les particules attirées par le SMBH par la gravité peuvent provoquer une force de traînée, qui est un frottement dynamique. Ce frottement s’oppose au mouvement de l’objet massif, le forçant à ralentir. Dans le cas de la fusion de deux SMBH, cela peut les empêcher de se rapprocher l’un de l’autre.

« Des calculs antérieurs ont montré que ce processus s’arrête lorsque les trous noirs sont à environ 1 parsec l’un de l’autre, une situation parfois appelée le problème du parsec final », a expliqué le Dr Alvarez.

C’est ici qu’entre en jeu la friction dynamique. Elle peut soit s’opposer, soit favoriser la fusion des deux SMBH.

Matière noire auto-interactive

Les chercheurs suggèrent qu’une forme de matière noire pourrait être la solution à ce problème.

« Dans cet article, nous montrons que l’inclusion de l’effet jusqu’alors négligé de la matière noire peut aider les trous noirs à surmonter ce parsec final de séparation et de fusion, émettant ainsi un signal d’onde gravitationnelle qui correspond à celui observé par les Pulsar Timing Arrays », a déclaré le Dr Alvarez.

Dans une galaxie, la matière noire est principalement présente dans le halo galactique, la région entourant la galaxie visible. Mais elle est également présente près du noyau galactique, où se trouve le SMBH. Par conséquent, la nature de la matière noire pourrait jouer un rôle crucial dans la fusion des SMBH.

La matière noire auto-interactive (SIDM) est une forme hypothétique de matière noire dans laquelle les particules de matière noire interagissent les unes avec les autres via une nouvelle force inconnue.

Dans les galaxies contenant du SIDM, les interactions entre les particules de matière noire peuvent affecter la densité (distribution) et la vitesse de la matière noire, conduisant à un entonnoir plus efficace de matière et d’énergie vers le SMBH, ce qui pourrait potentiellement surmonter le frottement dynamique.

Un équilibre délicat

Pour explorer le rôle du SIDM dans la fusion du SMBH, les chercheurs ont effectué des calculs détaillés des profils de densité de matière noire autour des SMBH pour le SIDM et la matière noire froide (moins interactive).

Ils ont également modélisé les effets de frottement dynamique sur les orbites du SMBH, calculé le transfert d’énergie entre le SMBH et la matière noire et effectué des simulations de spectres d’ondes gravitationnelles dans différents scénarios de matière noire.

Ils ont ensuite comparé ces résultats avec les données d’observation des réseaux de chronométrage des pulsars.

Les chercheurs ont découvert que la section efficace d’interaction des particules de matière noire doit se situer dans une plage optimale. Une section efficace plus grande, qui signifie des interactions plus fréquentes, provoque l’interaction et la dispersion des particules de matière noire, aplatissant le profil de densité à proximité des SMBH.

Cette réduction de densité diminue le frottement dynamique nécessaire à la fusion des SMBH.

« D’autre part, des auto-interactions de matière noire suffisamment fréquentes sont nécessaires pour empêcher que ce profil ne soit dispersé par le mouvement du trou noir », explique le Dr Alvarez.

La plage de section efficace idéale permet suffisamment d’interactions pour influencer le mouvement des SMBH sans trop disperser la matière noire, maintenant ainsi une friction dynamique suffisante pour faciliter le processus de fusion.

Les chercheurs ont trouvé que cette valeur se situait entre 2,5 et 25 cm²/g. Cela signifie que pour chaque gramme de matière noire, la surface effective sur laquelle les particules interagissent devrait être comprise entre 2,5 et 25 centimètres carrés.

Interactions dépendantes de la vitesse

Les chercheurs ont également constaté que la vitesse des particules SIDM doit être optimale. Cette vitesse est à son tour influencée par la masse du porteur de force ou médiateur inconnu, qui facilite l’interaction entre les particules SIDM.

Si le médiateur est lourd, cela pourrait signifier que les particules de matière noire n’interagissent de manière significative que lorsqu’elles se déplacent lentement les unes par rapport aux autres. Inversement, si le médiateur est léger, les interactions pourraient se produire à des vitesses plus élevées.

« Il est intéressant de noter que cette dépendance à la vitesse est théoriquement bien motivée. C’est précisément ce que l’on trouve si la particule qui agit comme porteur de force pour les auto-interactions de la matière noire a une masse qui représente environ 1 pour cent de la masse de la particule de matière noire », a déclaré le Dr Alvarez.

Les chercheurs ont estimé cette valeur entre 300 et 600 km/s.

« Ces auto-interactions dépendantes de la vitesse laissent une empreinte sur le spectre des ondes gravitationnelles car lorsque les trous noirs sont à une fraction de parsec l’un de l’autre, une fraction significative de l’énergie orbitale est perdue à cause du frottement de la matière noire plutôt que de l’émission d’ondes gravitationnelles, supprimant ainsi relativement le signal d’onde gravitationnelle à certaines fréquences par rapport à d’autres », a ajouté le Dr Alvarez.

Implications et travaux futurs

Le modèle de particules SIDM des chercheurs prévoyait que les ondes gravitationnelles seraient plus faibles ou moins intenses à basse fréquence. Cette prédiction correspondait à ce qui a été observé dans les données réelles.

Ils ont également montré que le SIDM avec une section efficace dépendante de la vitesse peut résoudre le problème du parsec final et survivre au processus de fusion.

« Nous avons découvert que l’évolution de l’orbite du trou noir est très sensible à la microphysique de la matière noire, ce qui signifie que nous pouvons utiliser l’émission d’ondes gravitationnelles des binaires SMBH pour contraindre les modèles de matière noire », a déclaré le Dr Alvarez, évoquant l’impact de leurs travaux. « Cela offre une nouvelle fenêtre pour sonder la nature de la matière noire dans les régions les plus profondes des galaxies qui n’étaient auparavant pas accessibles par observation. »

L’équipe affine également son modèle et développe des simulations numériques pour confirmer les résultats trouvés dans cette étude. Ces simulations permettront de mieux comprendre comment les profils de matière noire réagissent à l’énergie injectée par la fusion des trous noirs.

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