En février 2016, les scientifiques de l'Observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO) ont marqué l'histoire en annonçant la toute première détection d'ondes gravitationnelles. Depuis lors, plusieurs détections ont eu lieu et les collaborations scientifiques entre les observatoires - comme Advanced LIGO et Advanced Virgo - permettent des niveaux de sensibilité et de partage de données sans précédent.
Cet événement a non seulement confirmé une prédiction centenaire faite par la théorie de la relativité générale d'Einstein, mais il a également conduit à une révolution en astronomie. Cela a également alimenté les espoirs de certains scientifiques qui pensaient que les trous noirs pouvaient expliquer la "masse manquante" de l'Univers. Malheureusement, une nouvelle étude réalisée par une équipe de physiciens de l'UC Berkeley a montré que les trous noirs ne sont pas la source tant recherchée de la matière noire.
Leur étude, «Limits on Stellar-Mass Compact Objects as Dark Matter from Gravitational Lensing of Type Ia Supernovae», a récemment été publiée dans le Lettres d'examen physique. L'étude a été dirigée par Miguel Zumalacarregu, boursier mondial Marie Curie au Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), avec le soutien d'Uros Seljak - professeur de cosmologie et codirecteur du BCCP.
Pour le dire simplement, Dark Matter reste l'un des mystères les plus insaisissables et les plus gênants auxquels sont confrontés les astronomes aujourd'hui. Malgré le fait qu'il représente 84,5% de la matière dans l'Univers, toutes les tentatives pour le découvrir ont jusqu'à présent échoué. De nombreux candidats ont été proposés, allant des particules ultra-légères (axions) aux particules massives à faible interaction (WIMPS) et aux objets compacts halo massifs (MACHO).
Cependant, ces candidats varient en masse par un ordre de 90, ce que plusieurs théoriciens ont tenté de résoudre en proposant qu'il pourrait y avoir plusieurs types de matière noire. Cependant, cela nécessiterait des explications différentes pour leurs origines, ce qui ne ferait que compliquer davantage les modèles cosmologiques. Comme Miguel Zumalacárregui l'a expliqué dans un récent communiqué de presse de UC Berkeley:
«Je peux imaginer qu'il s'agit de deux types de trous noirs, très lourds et très légers, ou de trous noirs et de nouvelles particules. Mais dans ce cas, l'un des composants est de plusieurs ordres de grandeur plus lourd que l'autre, et ils doivent être produits en abondance comparable. Nous passerions de quelque chose d'astrophysique à quelque chose de vraiment microscopique, peut-être même la chose la plus légère de l'univers, et ce serait très difficile à expliquer. »
Pour les besoins de leur étude, l'équipe a effectué une analyse statistique de 740 des supernovas les plus brillantes découvertes (en 2014) afin de déterminer si l'une d'entre elles avait été agrandie ou éclaircie par la présence d'un trou noir intermédiaire. Ce phénomène, où la force gravitationnelle d'un grand objet grossit la lumière provenant d'objets plus éloignés, est appelé «lentille gravitationnelle».
Fondamentalement, si les trous noirs étaient la forme dominante de matière dans l'Univers, alors les supernovas à grossissement gravitationnel se produiraient assez fréquemment en raison des trous noirs primordiaux. Ces formes hypothétiques de trou noir se seraient formées au cours des premières millisecondes après le Big Bang dans certaines parties de l'Univers où la masse était concentrée à des dizaines ou des centaines de masses solaires, provoquant la formation des premiers trous noirs.
La présence de cette population de trous noirs, ainsi que de tous les objets compacts massifs, plierait et magnifierait la lumière des objets distants sur son chemin vers la Terre. Cela serait particulièrement vrai pour les supernovas distantes de type Ia, que les astronomes utilisent depuis des décennies comme source de luminosité standard pour mesurer les distances cosmiques et la vitesse à laquelle l'Univers se développe.
Cependant, après avoir effectué une analyse statistique complexe des données sur la luminosité et la distance de 740 supernovas - 580 dans l'Union et 740 dans les catalogues Joint Light-curve Analysis (JLA) - l'équipe a conclu que huit des supernovas devraient être plus brillantes par un quelques dixièmes de pour cent de ce qui a été observé historiquement. Cependant, aucun tel éclaircissement n'a été détecté, même lorsque des trous noirs de faible masse ont été pris en compte.
"Vous ne pouvez pas voir cet effet sur une supernova, mais lorsque vous les assemblez tous et faites une analyse bayésienne complète, vous commencez à imposer de très fortes contraintes sur la matière noire, car chaque supernova compte et vous en avez tellement", a déclaré Zumalacárregui.
À partir de leur analyse, ils ont conclu que les trous noirs ne peuvent représenter plus de 40% de la matière noire dans l'Univers. Après avoir inclus 1 048 supernovas plus brillantes du catalogue du Panthéon (et à de plus grandes distances), les contraintes sont devenues encore plus strictes. Avec ce deuxième ensemble de données, ils ont obtenu une limite supérieure encore plus basse - 23% - que dans leur analyse d'origine.
Ces résultats suggèrent qu’aucune matière noire de l’univers ne se compose de lourds trous noirs ou d’objets massivement similaires tels que MACHO. «Nous revenons aux discussions standard», a déclaré Seljak. «Qu'est-ce que la matière noire? En effet, nous manquons de bonnes options. C'est un défi pour les générations futures. »
Cette étude était basée sur des recherches antérieures menées par Seljak à la fin des années 1990, lorsque les scientifiques considéraient les MACHO et autres objets massifs comme une source possible de matière noire. Cependant, l'étude était limitée en raison du fait que seul un petit nombre de supernovas de type Ia éloignées avaient été découvertes ou avaient leurs distances mesurées à l'époque.
De plus, la recherche de matière noire s'est déplacée peu de temps après, passant de gros objets à des particules fondamentales (comme les WIMP). En conséquence, les plans de suivi étudiés ne se sont pas concrétisés. Mais grâce aux observations LIGO des ondes gravitationnelles, la connexion possible entre les trous noirs et la matière noire a de nouveau émergé et a inspiré Seljak et Zumalacárregui pour mener leur analyse.
"Ce qui était fascinant, c'est que les masses des trous noirs dans l'événement LIGO étaient exactement là où les trous noirs n'avaient pas encore été exclus en tant que matière noire", a déclaré Seljak. «C'était une coïncidence intéressante qui a excité tout le monde. Mais c'était une coïncidence. »
La théorie de la matière noire a été officiellement adoptée dans les années 1970, pendant «l'âge d'or de la relativité», pour tenir compte des écarts entre la masse apparente des objets dans l'Univers et leurs effets gravitationnels observés. Il semble qu'un demi-siècle plus tard, nous essayons toujours de retrouver cette mystérieuse masse invisible. Mais à chaque étude, des contraintes supplémentaires sont imposées à la matière noire et les candidats possibles sont éliminés.
Avec le temps, nous pourrions simplement débloquer ce mystère cosmologique et être un peu plus près de comprendre comment l'Univers s'est formé et a évolué.
