Now reading: Comment les scientifiques se servent des trous noirs comme outils de découverte
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Huan Yang, Will East, Asimina Arvanitaki and Luis Lehner.

Depuis son avènement il y a 2 ans, l’astronomie multimessage des ondes gravitationnelles gâte les physiciens avec une fricassée de données d’observation captivantes. On a assisté à la fusion de trous noirs, établi un lien entre les bouffées de rayons gamma et les collisions d’étoiles à neutrons et vu de l’or se créer dans des cataclysmes cosmiques.

Mais cette abondance a amené davantage de questions que de réponses. Ce qui, pour des scientifiques, est parfait. En sciences, peu de choses sont plus délicieuses qu’une question ouverte. Et une question ouverte dont la réponse est à portée de main? Ça, c’est carrément irrésistible.

À quoi ressemble l’intérieur d’une étoile à neutrons, et que peut-on en apprendre à propos de la physique nucléaire? Peut-on utiliser les trous noirs comme de gigantesques collisionneurs de particules? Qu’est-ce que la matière sombre? Comment les trous noirs se forment-ils?

Il semble que l’on puisse trouver les réponses en considérant les trous noirs non seulement comme des objets d’étude, mais aussi comme des outils à exploiter.

Il s’agit d’une nouvelle démarche qui se prépare depuis un siècle. Les 2 principaux piliers de la physique moderne — la théorie de la relativité générale et la mécanique quantique – ont vu le jour au début du XXe siècle. Alors que chacune de ces théories a fait la preuve de sa merveilleuse exactitude dans son domaine, elles demeurent incompatibles entre elles.

La quête de l’unification des 2 théories a pris une tournure inattendue en 1974, lorsque le cosmologiste Stephen Hawking s’est rendu compte que, grâce aux effets quantiques, les trous noirs émettent un rayonnement de corps noir. Les trous noirs sont devenus tout à coup une composante-clé de l’effort visant à unifier la mécanique quantique et la gravitation.

Aujourd’hui, grâce à l’avènement de l’astronomie multimessage — plusieurs télescopes et observatoires enregistrent un même événement astrophysique à l’aide d’ondes gravitationnelles et de différentes longueurs d’onde de lumière —, les scientifiques découvrent à un rythme (relativement) fulgurant des vérités profondes concernant l’univers.

Pour le moment, l’astrophysique est la grande gagnante. Mais la physique nucléaire (grâce à la capacité de sonder le fonctionnement interne d’étoiles de grande densité), la cosmologie de l’univers primitif (les détecteurs de 3e génération pourraient voir toutes — oui, toutes — les collisions de trous noirs de l’histoire de l’univers) et la physique des particules (les chercheurs proposent des théories originales pour obtenir de l’information sur la matière sombre) pourraient aussi grandement en bénéficier.

Ce mélange de théorie et d’expérimentation est suffisant pour entraîner les physiciens dans une véritable crise de boulimie. Ou bien le serait, si le travail n’était pas aussi rigoureux, méthodique et tout à fait réfléchi.

Tout est dans le choix du moment

Quand Luis Lehner était étudiant de 1er cycle universitaire en Argentine dans les années 1990, il croyait que sa décision de se spécialiser en relativité générale l’amènerait sur une voie lente de la physique. À l’époque, toute application expérimentale de ses travaux devait attendre plus de 20 ans, ce qui était bien trop long pour beaucoup de ses pairs.

Luis Lehner
Luis Lehner, président du corps professoral de l’Institut Périmètre

Pour ses études supérieures, il a décidé de se spécialiser en relativité numérique. Ce volet de la relativité générale fait appel à des simulations pour déterminer comment la gravité se comporte dans des situations extrêmes.

Deux décennies plus tard, les choses vont tout sauf lentement dans ce domaine. Ces régions extrêmes de l’univers offrent énormément de possibilités sur le plan scientifique.

Dans la sphère expérimentale, le LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser), le télescope CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment – Expérience canadienne de cartographie d’intensité de l’hydrogène), le télescope EHT (Event Horizon Telescope – Télescope Horizon des événements) et d’autres expériences signifient que des choses qui étaient uniquement théoriques ou présentées comme des casse-tête d’observation – les ondes gravitationnelles, les sursauts radio rapides et l’ombre des trous noirs — sont maintenant consignées dans des registres de données.

Entre-temps, les physiciens théoriciens s’aventurent plus loin en territoire inconnu en reliant des spécialités que l’on considérait autrefois comme distinctes. La cosmologie et l’astrophysique ont maintenant des points communs avec la physique des particules, la théorie quantique des champs, etc.

Conséquence de tout cela, Luis Lehner est devenu une tête d’affiche dans l’un des domaines scientifiques qui évolue le plus rapidement. Son travail a un volet à court terme et un volet à long terme : il aide à déchiffrer les données d’observation tirées d’expériences en cours tout en élaborant des prédictions qui seront vérifiées par l’expérience dans des décennies ou même des générations.

« Je sais qu’il faut beaucoup de temps pour construire les modèles qui seront utilisés dans l’avenir », dit M. Lehner, qui est président du corps professoral de l’Institut Périmètre et théoricien en résidence pour le Comité international sur les ondes gravitationnelles. « Je me préoccupe aujourd’hui d’une réponse qui, je le sais, sera nécessaire dans 20 ans. Si nous ne nous mettons pas au travail maintenant, nous allons manquer le bateau et nous pourrions passer à côté d’importantes occasions. » [traduction]

De grandes questions sont à l’ordre du jour : Les trous noirs de l’univers primitif sont-ils à l’origine des trous noirs supermassifs que l’on observe aujourd’hui? Pourquoi les fusions de trous noirs que l’on a détectées font-elles intervenir des objets en rotation lente ou aux axes de rotation orientés de manière aléatoire? Où la théorie de la gravitation échoue-t-elle — et qu’est-ce qui va la remplacer?

C’est sans surprise que l’on voit de jeunes chercheurs se bousculer pour participer à ces travaux. Luis Lehner les accueille à bras ouverts. Après tout, les défis à relever sont trop grands pour une seule spécialité.

« Pendant longtemps, ces domaines ont progressé de manière indépendante, dit-il. Maintenant, nous recevons de différentes sources une multitude de messages qui exigent des compétences dans tous ces domaines.

« Il est crucial de nous réunir dans un esprit pluridisciplinaire, non seulement pour relever certains des défis qui se présentent à nous, mais aussi pour former la prochaine génération de chercheurs à l’utilisation de plusieurs langages. » [traduction]

Le domaine progresse à un rythme exigeant. Les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO avancé et VIRGO sont en marche, et l’on espère que le KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector – Détecteur d’ondes gravitationnelles de Kamioka), au Japon, entrera en fonction plus tard cette année. Le télescope spatial LISA conçu pour la détection d’ondes gravitationnelles devrait être lancé dans une dizaine d’années. À ce moment-là, les détecteurs terrestres de 3e génération devraient être presque prêts.

« Dans cette course à relais, chaque coureur — chaque nouvelle expérience — qui reprend le témoin est beaucoup plus rapide et puissant que les précédents, dit M. Lehner. Au bout du compte, nous pourrons analyser beaucoup plus en profondeur les événements pris individuellement et dans leur ensemble. » [traduction]

Le succès des détecteurs d’ondes gravitationnelles a donné un nouvel élan à un domaine qui, il y a seulement quelques décennies, semblait devoir rester confiné à la théorie pour la théorie. Et, selon M. Lehner, ce n’est que le commencement.

« À l’Institut Périmètre, dans un effort concerté, plusieurs personnes recherchent des éléments communs dans des territoires originaux ou inexplorés. Cela pourrait rapporter des bénéfices scientifiques considérables. » [traduction]

La superradiance et la chasse aux axions

En raison du rayonnement de Hawking, les trous noirs pourraient servir d’accélérateurs de particules. Asimina Arvanitaki, physicienne des particules à l’Institut Périmètre, élabore des moyens de mettre cette idée en pratique.

Dans un article publié en 2010, Mme Arvanitaki et ses collaborateurs, dont Sergei Dubovsky, expliquaient comment les trous noirs pourraient permettre de détecter une particule hypothétique appelée axion, candidate potentielle à la matière sombre. L’idée repose sur un processus appelé superradiance.

Asimina Arvanitaki
Asimina Arvanitaki, professeure à l’Institut Périmètre

La superradiance est une boucle de rétroaction comprenant 2 ingrédients : un trou noir en rotation et un boson ultraléger dont la longueur d’onde de Compton est aussi grande que le trou noir. (Oui, une telle chose peut exister.)

Tout commence si — ou quand — un trou noir émet spontanément un tel boson. Grâce au fait que sa longueur d’onde correspond à la taille du trou noir, le boson absorbe une partie de l’énergie rotationnelle du trou noir. Mme Arvanitaki explique que c’est le début d’une émission stimulée au cours de laquelle le trou noir fabrique de plus en plus de ces bosons particuliers.

Comme plusieurs bosons peuvent occuper un même état quantique, un nuage de particules se forme autour du trou noir. Plus ce nuage est gros, plus il peut pomper d’énergie du trou noir et s’agrandir encore davantage.

Ce phénomène a toutefois une instabilité intrinsèque : en perdant de l’énergie, le trou noir se met à tourner plus lentement. Lorsque la fréquence de rotation du trou noir diminue suffisamment pour correspondre à la fréquence d’oscillation du nuage, il n’y a plus d’instabilité et le phénomène cesse de lui-même.

Même si la notion de superradiance a été mise de l’avant pour la première fois dans les années 1960, ce sont Asimina Arvanitaki et Sergei Dubovsky qui ont étendu l’idée et proposé que les bosons d’une superradiance pourraient être candidats au statut d’axions. (Cet article a été jusqu’à maintenant cité plus de 500 fois.)

Si une telle particule existait, elle serait une candidate prometteuse comme constituant de la matière sombre.

« On dirait de la science-fiction. Cela ressemble à un atome gravitationnel céleste qui fait toutes sortes de choses étranges », dit Mme Arvanitaki, titulaire de la chaire Fondation-Stavros-Niarchos de l’Institut Périmètre.

« Ce qu’il y a de formidable, c’est que cette idée est effectivement incrustée dans la théorie de la relativité générale. Aucune magie n’est nécessaire. La particule n’a même pas besoin d’être abondante dans le cosmos; si elle existe dans la théorie fondamentale, alors le trou noir s’occupe du reste.

« Ce sont les meilleures idées, celles dont on peut dire : ‘Pourquoi les gens n’y ont-ils pas pensé il y a 40 ans?’ » [traduction]

Grâce à l’astronomie multimessage, la chasse aux axions est maintenant de l’ordre du possible et suscite de plus en plus d’intérêt. Lorsque l’Institut Périmètre a organisé un atelier sur la superradiance en 2018, plus de 30 théoriciens et expérimentateurs sont venus du monde entier envisager des collaborations possibles. Certains participants étaient des expérimentateurs venant du LIGO.

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles peuvent déjà capter des ondes gravitationnelles « monochromatiques » (ayant une seule longueur d’onde), qui sont du type pouvant résulter de la superradiance. Par contre, il faut modifier l’analyse des données du LIGO de manière à rechercher l’« empreinte » de la superradiance : contrairement à la fréquence décroissante de la rotation d’étoiles à neutrons, la fréquence et l’amplitude d’un signal de superradiance iraient en augmentant avec le temps.

À l’heure actuelle, Mme Arvanitaki et d’autres chercheurs discutent donc avec des expérimentateurs pour trouver des moyens d’incorporer dans les installations actuelles les critères de recherche d’axions.

« Les outils sont déjà disponibles, dit Mme Arvanitaki. Il suffit de les ajuster en fonction de cette idée. Reste à savoir comment les optimiser pour rechercher des axions. »

Même si l’idée est fondée, Asimina Arvanitaki fait remarquer qu’on ne peut absolument pas garantir qu’elle mènera à une découverte. « C’est un jeu à haut risque et à gain élevé, dit-elle. Il y aura des échecs la plupart du temps, mais un éventuel succès constituera une percée, parce que nous découvrirons quelque chose de complètement nouveau sur l’univers tel que nous le connaissons. » [traduction]

Au-delà des trous noirs

Les trous noirs ne sont pas les seuls objets massifs et mystérieux de l’univers qui pourraient servir d’outils. Pour de nombreux scientifiques, d’autres objets sont tout aussi fascinants, et ils ont de plus l’immense avantage qu’on peut les voir.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges d’étoiles massives qui se sont effondrées. Ces objets sont ultradenses — leur noyau est comprimé jusqu’à la densité de noyaux atomiques —, et leur champ gravitationnel est extrêmement intense.

Pour ces raisons, des physiciens comme Huan Yang trouvent ces objets particulièrement intéressants. Spécialiste de la relativité générale, M. Yang était aux premières loges pour assister à l’essor de l’astronomie multimessage, puisqu’il a collaboré avec des expérimentateurs du LIGO afin d’analyser le bruit dû aux instruments avant d’obtenir son doctorat à Caltech en 2013.

Huan Yang
Huan Yang, professeur associé à l’Institut Périmètre

« Les collisions d’étoiles à neutrons sont des cataclysmes à l’état pur », dit M. Yang, maintenant professeur à l’Université de Guelph et professeur associé à l’Institut Périmètre.

« Au départ, tout le monde essayait de trouver comment observer ces phénomènes. Maintenant nous essayons plutôt d’en tirer des leçons de physique. Ils nous fournissent des données impossibles à obtenir dans des expériences menées sur la Terre. » [traduction]

Mais il y a un petit problème : on ne sait en réalité que très peu de choses sur les étoiles à neutrons, et pratiquement rien de leur fonctionnement interne, parce qu’on ne connaît pas l’équation d’état d’une étoile à neutrons.

Une équation d’état précise comment un matériau élastique est déformé par la pression. Dans le cas d’une étoile à neutrons, l’équation d’état décrirait comment la gravité comprime et déforme l’étoile, ce qui permettrait aux scientifiques d’en déduire le rayon et la structure interne.

« Nous avons certains modèles d’étoiles à neutrons là où la densité n’est pas trop grande, mais au cœur de ces étoiles, la densité est vraiment grande et tous nos modèles échouent, dit M. Yang. En détectant ces événements, nous allons acquérir de nouvelles connaissances en physique nucléaire. » [traduction]

Pour obtenir cette nouvelle information, il faut analyser plus en profondeur les fusions d’étoiles à neutrons. Heureusement, Huan Yang et ses collaborateurs tels que William East, professeur à l’Institut Périmètre, travaillent aussi sur cette question.

Des lacunes à combler

Tout comme Luis Lehner, William East se sert de la relativité numérique pour comprendre la gravité forte. Il a organisé conjointement avec Asimina Arvanitaki la conférence sur la superradiance et travaille avec MM. Lehner et Yang sur les fusions d’étoiles à neutrons, la magnétosphère des trous noirs, de même que sur des manières de faire la distinction entre les fusions de trous noirs de faible masse et les fusions d’étoiles à neutrons.

Son but est aussi simple qu’audacieux : « Je veux comprendre tous les phénomènes intéressants qui se produisent dans ce régime (de gravité forte) que nous commençons seulement à entrevoir. » [traduction]

Les fusions d’étoiles à neutrons constituent un exemple parfait des lacunes qu’il reste à combler. Les détecteurs actuels peuvent capter les ondes gravitationnelles émises juste avant une fusion; les télescopes et radiotélescopes peuvent enregistrer le rayonnement électromagnétique émis après une fusion. Mais quant au moment du cataclysme lui-même, on ne peut encore rien voir.

« À l’étape la plus violente et la plus passionnante, explique M. East, lorsque les étoiles à neutrons commencent à se fracasser l’une contre l’autre, la fréquence devient trop élevée pour que le LIGO puisse capter les ondes gravitationnelles.

« On pourrait apprendre beaucoup de choses intéressantes si l’on pouvait détecter la fusion et ce qui vient immédiatement après. Lorsque les étoiles entrent en collision, nous ne savons pas du tout si elles forment immédiatement un trou noir ou si elles forment une étoile très chaude et perturbée oscillant à de grandes fréquences. » [traduction]

Will East Perimeter
Will East, professeur à l’Institut Périmètre

La manière dont ces objets en viennent à entrer en collision est aussi quelque peu mystérieuse. Les fusions que l’on a observées jusqu’à maintenant portent sur des objets qui tournent l’un autour de l’autre en se rapprochant progressivement, mais Will East veut savoir s’il existe d’autres types de fusions, par exemple des fusions « excentriques » d’objets dont les trajectoires orbitales se coupent.

Pour ces derniers systèmes, le signal de l’onde gravitationnelle aurait un sursaut chaque fois que les objets passent près l’un de l’autre. « Ce genre de sursaut prouverait que ces objets binaires se sont formés d’une manière différente » [traduction], ajoute M. East.

Qu’y a-t-il de si intéressant à propos des fusions excentriques? Elles pourraient montrer comment se créent les liens unissant certains objets binaires, et donner du même coup des indices sur l’environnement d’origine de chaque objet.

La vitesse de rotation des étoiles à neutrons pourrait aussi fournir des indications sur la formation de ces objets binaires. Les étoiles binaires à neutrons observées dans la Voie lactée — des paires qui ne fusionneront pas avant très longtemps — ont une faible vitesse de rotation, ce qui était aussi le cas de la seule fusion d’étoiles à neutrons observée par astronomie multimessage.

Mais les données de cette fusion n’ont pas exclu la possibilité que ces étoiles aient eu une vitesse de rotation élevée. Comment cela changerait-il la dynamique de la fusion? Là encore, pour le savoir, il faut voir l’instant de l’impact.

Will East n’est toutefois pas impatient. Comme il le fait remarquer, on n’aurait rien vu du tout il y a seulement quelques années. Les réponses à certaines questions pourraient venir d’ici quelques années, d’autres dans des décennies ou plus. D’où l’intérêt de l’astronomie multimessage, et de la probabilité bien réelle que de nouveaux mystères surgissent bientôt.

« Je crois que des surprises, des choses auxquelles nous ne nous attendons pas, sont bien possibles, dit M. East. Comme nous avons une manière complètement nouvelle de regarder l’univers, ce serait vraiment étonnant que nous ayons déjà prévu tout ce qu’il y a à découvrir. » [traduction]

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