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Un atome gravitationnel céleste

Se pourrait-il que les trous noirs constituent les accélérateurs de particules de l’univers, produisant en série des signaux susceptibles de dévoiler de nouvelles particules – peut-être même l’insaisissable matière sombre?


Les trous noirs en tant qu’atomes gravitationnels — Asimina Arvanitaki

Les particules sont minuscules. Ce sont les constituants les plus élémentaires de la nature, qui composent tous les objets plus gros qui existent – les êtres humains, les pachydermes et les planètes. Vrai?

Oui et non.

« Certaines particules peuvent être énormes », explique Asimina Arvanitaki, physicienne des particules et professeure à l’Institut Périmètre. « De fait, elles peuvent être plus grandes qu’une salle, ou même aussi grandes que l’univers. » [traduction]

Cette notion est contre-intuitive, parce que notre intuition est enracinée dans le monde de l’expérience quotidienne, où les particules sont minuscules.

Mais l’intuition nous révèle rarement toute la vérité, en particulier en physique théorique, où interviennent les phénomènes hallucinants de la mécanique quantique et le chaos gravitationnel extrême des trous noirs.

« Il n’y a aucune limite théorique à la taille des particules, ajoute Mme Arvanitaki, et nous avons de nombreuses théories où les particules ne sont pas petites. » [traduction]

Une de ces théories a conduit Mme Arvanitaki et ses collaborateurs à une idée innovatrice selon laquelle les trous noirs sont les propres accélérateurs de particules de l’univers et pourraient contribuer à la découverte d’une particule prédite depuis longtemps par la théorie.

Le raisonnement des chercheurs est le suivant : supposons que la taille d’une particule – ou, techniquement parlant, sa longueur d’onde de Compton – soit de l’ordre de celle d’un trou noir; une telle particule peut être confinée par l’intense gravité du trou noir, entraînée par son espace-temps en rotation dans une sorte d’état rigide, selon le processus de Penrose. La description théorique de ce processus est due à Roger Penrose, l’un des pionniers de l’astrophysique.

Liés l’un à l’autre par le processus de Penrose, la particule et le trou noir deviennent ce qu’Asimina Arvanitaki appelle « un atome gravitationnel céleste » [traduction].

L’image de l’atome se comprend facilement. Par exemple, un atome d’hydrogène constitue un état de liaison entre un noyau (formé d’un proton) et l’électron qui gravite autour. Dans l’« atome gravitationnel céleste » de Mme Arvanitaki, on peut considérer que le trou noir est l’analogue du proton, et que l’énorme particule est l’analogue du nuage électronique qui gravite sous son emprise.

L’idée de particules liées à des trous noirs pour former des états semblables à des atomes n’est pas nouvelle. Ce processus a été imaginé en théorie par Roger Penrose dans les années 1960 et développé au cours des décennies qui ont suivi par le physicien Yakov Borisovich Zel’dovich.

Par contre, l’idée que cette chorégraphie cosmique pourrait constituer une version naturelle du grand collisionneur de hadrons est innovatrice et passionne Asimina Arvanitaki au plus haut point. Elle introduit des possibilités fascinantes dans la recherche des constituants élémentaires de la nature, y compris la matière sombre, le ciment gravitationnel invisible que l’on croit omniprésent dans l’univers.

L’« atome gravitationnel » formé d’un trou noir et des particules qui lui sont liées est un système dynamique.

Alors que les forces incroyables du trou noir font des ravages dans l’espace-temps environnant, un processus dit de superradiance entraîne une augmentation très rapide – en fait exponentielle – du nombre de particules en orbite autour du trou noir, ce qui a pour effet de diminuer l’énergie et le moment angulaire du trou noir.

Cette augmentation exponentielle attire un nuage toujours plus important de particules, ce qui a pour effet de ralentir la rotation du trou noir. C’est là que, selon Mme Arvanitaki, « certaines choses très intéressantes peuvent se produire » [traduction].

Des particules peuvent passer d’un état d’énergie à un autre, produisant des gravitons (tout comme les transitions entre états d’énergie des électrons d’un atome peuvent produire des photons – processus à l’origine du fonctionnement des lasers). Des paires de particules peuvent aussi s’annihiler, se transformant en une paire de gravitons – dont l’un est absorbé par le trou noir alors que l’autre s’en échappe. Les deux phénomènes produisent un signal qui peut être détecté de la terre : des ondes gravitationnelles.

Asimina Arvanitaki croit que ce processus pourrait permettre aux chercheurs de diagnostiquer la présence d’une particule appelée axion, particule élémentaire hypothétique considérée par plusieurs comme candidate possible pour la matière sombre et qui suscite beaucoup de recherches.

« Depuis que l’existence de l’axion a été proposée à la fin des années 1970, il y a eu des tas d’expériences pour tenter de le trouver, ajoute Mme Arvanitaki. Voici ce que nous disons maintenant de nouveau : ‘Si l’on regardait dans le ciel, c’est peut-être là que nous pourrions le trouver!’ » [traduction]

Même si l’axion constitue une récompense très recherchée, Mme Arvanitaki dit que la méthode de son équipe permet de rechercher « toutes sortes de particules », à condition que ce soient des bosons.

Évidemment, la recherche de telles particules exige davantage que de simplement regarder le ciel. Même les équipements terrestres les plus avancés n’ont pas réussi à mesurer des signatures aussi faibles provenant de distances aussi grandes.

Mais cela changera plus tard cette année lorsque le LIGO avancé, l’un des interféromètres les plus perfectionnés jamais construits, commencera à rechercher des ondes gravitationnelles – une prédiction de la relativité générale encore inobservée à ce jour.

Formé de 2 lasers perpendiculaires s’étendant chacun sur 4 kilomètres, le LIGO avancé sera 10 fois plus sensible que le LIGO original, et l’on prévoit qu’il révolutionnera la science des ondes gravitationnelles. Si les trous noirs, les « atomes gravitationnels célestes » de Mme Arvanitaki, produisent effectivement des particules comme le prédit sa théorie, le LIGO avancé pourrait en fournir la preuve expérimentale.

La perspective séduisante de jouer un rôle dans une telle découverte rappelle à Asimina Arvanitaki pourquoi elle a décidé de devenir physicienne.

« Je veux seulement savoir pourquoi les choses sont comme elles sont, dit-elle. C’est le ‘pourquoi’ qui m’a amenée à faire de la physique, et c’est toujours cela qui me motive. » [traduction]

– Colin Hunter

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