Comment la lumière des trous noirs réduit la recherche d’axions

Comment la lumière des trous noirs réduit la recherche d'axions
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La recherche d’une particule subatomique hypothétique qui pourrait signaler une nouvelle physique vient de se réduire un peu – grâce à la lumière tourbillonnant autour d’un trou noir gargantuesque dans une autre galaxie.

La particule légère – surnommée l’axion – a été proposée comme solution au mystère de la raison pour laquelle l’univers a si peu d’antimatière et comme candidat pour la matière noire insaisissable qui remplit le cosmos (SN : 24/03/20; SN : 3/6/20). On pense que les environs tordus et chaotiques du trou noir central de la galaxie M87, le premier trou noir à avoir été photographié, encodent des informations sur ces particules.

Maintenant, les détails de l’orientation de la lumière autour du trou noir de M87 pourraient exclure la probabilité de particules d’axion dans une plage de masse spécifique, rapportent les chercheurs le 17 mars dans Astronomie naturelle. Cette étude montre également que les scientifiques pourraient utiliser une méthode similaire dans les prochaines observations astrophysiques pour rechercher ces particules dans un assortiment de masses.

“C’est une idée très excitante”, déclare le physicien Benjamin Safdi de l’Université de Californie à Berkeley, qui n’a pas participé à cette étude. “Ils ont mis au point une nouvelle méthode et ils ont montré que cette méthode pouvait en principe fonctionner.”

Proposés pour la première fois à la fin des années 1970, les axions n’ont pas encore été trouvés dans les expériences. Les travaux théoriques depuis cette proposition initiale ont montré qu’une famille étendue d’axions pouvait exister, chaque variété ayant une masse différente mais toutes interagissant faiblement avec la matière ordinaire. En 2020, le physicien Yifan Chen de l’Académie chinoise des sciences de Pékin et ses collègues ont décrit un moyen de rechercher des axions en utilisant des observations de la lumière entourant les trous noirs.

Selon la théorie, un trou noir en rotation rapide peut accumuler un amas dense de particules d’axions dans la zone environnante immédiate. Le type précis d’axions qui se forment dépend de la largeur du trou noir. Et le trou noir supermassif de M87 a la bonne taille pour brasser un ragoût de particules ultralégères de type axion. Si ce trou noir provoquait effectivement un tel nuage, cela changerait l’orientation, ou la polarisation, de la lumière provenant de cette région. En particulier, la polarisation oscillerait avec le temps.

Malheureusement, personne n’avait d’images de la lumière polarisée d’un trou noir à examiner – jusqu’à l’année dernière. C’est alors que le télescope Event Horizon, ou EHT, un réseau terrestre de radiotélescopes, a révélé son image de la lumière polarisée autour du trou noir supermassif au centre de M87 (SN : 24/03/21).

C’est “précisément l’information dont nous avons besoin pour mener à bien cette proposition théorique”, explique le physicien des particules Yue Zhao de l’Université de l’Utah à Salt Lake City. “Nous avons une condition très extrême qui peut produire une énorme quantité d’axions, et nous avons le bon outil pour étudier la signature de l’axion.”

Alors Zhao, Chen et leurs collègues ont examiné les données EHT pour un changement variant dans le temps dans la direction de la polarisation. Alors qu’un nuage d’axions modifierait la direction, il en serait de même pour la région active et turbulente autour du trou noir. C’est une « sorte de contexte inévitable auquel nous devons faire face », dit Zhao. Une fois qu’ils ont retiré cela du signal total, ils ont constaté qu’il n’y avait pas assez d’oscillation supplémentaire pour dire qu’un signal pouvait provenir du nuage d’axions. Ils ont exclu l’existence d’axions ultra-légers d’une masse d’environ 10 milliardièmes de milliardième de milliardième de la masse d’un électron.

Mais la même technique pourrait être utilisée pour rechercher d’autres particules de type axion. “Plus votre trou noir est grand, plus votre masse est légère”, déclare Zhao. Les physiciens espèrent utiliser les futures observations de l’EHT sur d’autres trous noirs pour rechercher des axions de masses différentes. Un trou noir sur le radar d’EHT est le mastodonte au centre de notre propre galaxie, note Zhao, qui représente environ un millième de la masse de M87 (SN : 05/06/19). Si le trou noir monstre de notre galaxie avait un nuage d’axions, ce seraient des particules plus lourdes.

“Cette idée de rechercher ces particules de type axion est, à mon avis, la chose la plus excitante qui se passe actuellement en physique des particules”, déclare Safdi.

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