Les images du télescope Event Horizon révèlent une nouvelle méthode de détection de la matière noire

Selon un nouveau Lettres d’examen physique étude, les trous noirs pourraient aider à résoudre le mystère de la matière noire. Les régions sombres des images de trous noirs capturées par le télescope Event Horizon peuvent agir comme des détecteurs ultra-sensibles pour la matière invisible qui constitue la majeure partie de la matière de l’univers.

La matière noire représente environ 85 % de la matière de l’univers, mais les scientifiques ne savent toujours pas de quoi il s’agit réellement. Alors que les chercheurs ont proposé d’innombrables façons de le détecter, cette étude introduit l’imagerie des trous noirs comme nouvelle méthode de détection, qui présente des avantages distincts.

Les superbes images de trous noirs supermassifs prises par le télescope Event Horizon ont révélé bien plus que la simple géométrie de l’espace-temps ; ils ont ouvert une fenêtre inattendue sur la recherche de la matière noire.

Phys.org s’est entretenu avec les co-auteurs Jing Shu de l’Université de Pékin et Yifan Chen de l’Institut Niels Bohr.

“J’ai toujours été fasciné par des instruments comme l’Event Horizon Telescope (EHT), qui nous permettent de sonder les environnements extrêmes autour des trous noirs supermassifs et de défier les limites des lois physiques connues”, a déclaré Shu.

Chen a ajouté : « J’ai été fasciné par l’idée d’utiliser les trous noirs comme détecteurs de nouvelles particules. Leur extrême gravité en fait des concentrateurs naturels de matière, créant un point de rencontre unique pour la physique des particules, la gravité et l’observation astrophysique. »

L’équipe de recherche s’est concentrée sur une caractéristique frappante des images de trous noirs : la région d’ombre qui apparaît sombre dans les observations EHT de M87* et de Sagittarius A*.

Une chambre noire cosmique

Le télescope Event Horizon est un réseau mondial d’observatoires radio travaillant de concert pour atteindre une résolution à l’échelle de la Terre grâce à l’interférométrie à très longue base. Fonctionnant à une fréquence de 230 GHz, le télescope capture le rayonnement synchrotron, la lumière produite lorsque les électrons tournent en spirale le long des lignes de champ magnétique intense à proximité des trous noirs supermassifs.

Pour comprendre ce qu’ils voient, les astrophysiciens effectuent des simulations informatiques complexes.

Le modèle de disque magnétiquement arrêté (MAD) a toujours fourni le meilleur accord avec les observations EHT. Le modèle MAD représente de puissants champs magnétiques pénétrant le disque d’accrétion, où ils régulent à la fois le flux de matière entrant et les jets de puissance qui éclatent perpendiculairement au disque.

Le modèle MAD explique surtout pourquoi les ombres des trous noirs apparaissent sombres : la plupart des électrons résident dans le disque d’accrétion, tandis que les régions du jet au-dessus et en dessous sont relativement pauvres en particules, créant un contraste net dans les images.

“Le plasma astrophysique ordinaire est souvent expulsé par des jets puissants, laissant la région de l’ombre particulièrement faible”, a expliqué Chen. “La matière noire, cependant, pourrait continuellement injecter de nouvelles particules rayonnant dans cette région.”

Étant donné que la matière noire devrait se concentrer de manière dense près du centre du trou noir, même de faibles signaux d’annihilation pourraient se démarquer de ce faible fond astrophysique, faisant de l’ombre un terrain d’essai idéal.

Modélisation de la matière noire

L’attraction gravitationnelle des trous noirs supermassifs provoque une concentration spectaculaire de matière noire à proximité, formant ce que les physiciens appellent un « pic de matière noire ». Ces régions atteignent des densités d’un ordre de grandeur plus élevées que partout ailleurs dans la galaxie.

Étant donné que les taux d’annihilation de la matière noire dépendent du carré de la densité, ces densités accrues pourraient produire des signaux détectables, si l’annihilation se produit.

L’équipe de recherche a développé un cadre sophistiqué qui s’appuie directement sur le modèle MAD en ajoutant la physique de la matière noire à la base astrophysique.

L’équipe a appliqué des simulations magnétohydrodynamiques relativistes générales (GRMHD) ainsi qu’une modélisation détaillée de la propagation des particules. Avec ce cadre, ils pourraient modéliser le comportement des électrons et des positrons issus d’une hypothétique annihilation de la matière noire dans les structures de champ magnétique extraites du modèle MAD.

Contrairement aux études précédentes qui reposaient sur des modèles sphériques simplifiés, cette approche utilise les configurations réalistes et asymétriques des champs magnétiques extraites des simulations MAD, les mêmes champs qui façonnent l’émission astrophysique que nous observons.

“Ce que nous voyons dans les images de trous noirs n’est pas le trou noir lui-même, mais la lumière émise par les électrons ordinaires du disque d’accrétion environnant, dont nous pouvons modéliser le comportement à l’aide de la physique bien connue”, a déclaré Shu.

“Si les particules de matière noire s’annihilaient près du trou noir, elles produiraient des électrons et des positrons supplémentaires dont le rayonnement semble légèrement différent de l’émission normale.”

La distinction cruciale apparaît dans la répartition spatiale. Dans le modèle MAD, les électrons se concentrent dans le disque d’accrétion avec des populations clairsemées dans les régions des jets, créant ainsi l’ombre sombre.

Mais les électrons et les positrons issus de l’annihilation de la matière noire seraient répartis plus uniformément dans les régions des disques et des jets, car l’annihilation de la matière noire fournit continuellement des particules, même là où les processus astrophysiques produisent peu d’électrons.

L’équipe a examiné deux canaux d’annihilation – des paires quark-antiquark inférieur et des paires électron-positron – dans des masses de matière noire allant de moins de GeV à environ 10 TeV.

Pour chaque scénario, ils ont calculé le rayonnement synchrotron résultant et généré des images synthétiques de trous noirs combinant à la fois les émissions astrophysiques (de MAD) et les signaux potentiels de matière noire.

La morphologie comme sonde

L’approche des chercheurs consistant à exploiter la morphologie des images de trous noirs plutôt que simplement la luminosité totale fait ressortir le travail.

Ils exigeaient que les signaux d’annihilation de la matière noire restent inférieurs à l’émission astrophysique en chaque point de l’image, en particulier dans la région intérieure de l’ombre.

“En comparant ces prédictions avec de véritables images EHT dans la” chambre noire “, nous pouvons rechercher des signaux subtils susceptibles de révéler la matière noire”, a déclaré Shu.

Cette approche morphologique s’avère nettement plus puissante que les contraintes précédentes basées sur la seule intensité totale. L’analyse exclut des régions substantielles de l’espace de paramètres jusqu’alors inexploré, fixant les limites des sections efficaces d’annihilation à environ 10^-27 cm³/s pour les observations EHT actuelles.

“Nos exclusions basées sur les observations EHT actuelles sondent déjà de vastes régions de l’espace de paramètres jusqu’alors inexploré, surpassant d’autres recherches qui supposent des profils de densité similaires”, a déclaré Chen.

Les contraintes restent robustes face aux incertitudes astrophysiques, notamment aux variations des paramètres de rotation des trous noirs et de température du plasma, facteurs qui introduisent généralement des incertitudes importantes dans les recherches indirectes de matière noire.

Perspectives d’avenir

La véritable puissance de cette approche sera exploitée grâce aux mises à niveau anticipées de l’EHT. Les améliorations futures promettent d’augmenter la plage dynamique de près de 100 fois et d’atteindre une résolution angulaire équivalente à environ un rayon gravitationnel, leur permettant ainsi de sonder plus profondément les régions les plus sombres de l’ombre.

“La principale amélioration consiste à améliorer la plage dynamique du télescope, c’est-à-dire sa capacité à révéler des détails très faibles juste à côté de caractéristiques extrêmement brillantes”, a expliqué Chen.

“Un exemple courant est le mode ‘plage dynamique élevée’ (HDR) présent sur de nombreux smartphones, qui utilise un traitement avancé pour faire ressortir les détails des ombres sombres et des hautes lumières d’une même image.”

Ces améliorations pourraient permettre la détection de la matière noire avec des sections efficaces d’annihilation proches de la valeur de la relique thermique, une cible théoriquement bien motivée, pour des masses allant jusqu’à environ 10 TeV.

Pour l’avenir, les chercheurs envisagent plusieurs directions pour étendre cette recherche.

“L’ombre du trou noir n’est pas seulement une image statique ; c’est un laboratoire dynamique à plusieurs niveaux”, a déclaré Shu. “Au-delà des cartes d’intensité, les données de polarisation de l’EHT ouvrent également de nouvelles fenêtres, car la polarisation code la manière dont les champs magnétiques et le plasma façonnent le rayonnement.”

Les observations multifréquences s’avéreront également cruciales, selon Shu. Différents mécanismes de rayonnement évoluent différemment en fonction de la fréquence, permettant aux chercheurs de déterminer la source du rayonnement, essentiellement en utilisant plusieurs couleurs pour distinguer les signaux de matière noire des arrière-plans astrophysiques.

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