Des chercheurs ont récemment découvert un lien fascinant entre certains des objets les plus grands et les plus petits de l’univers : les trous noirs supermassifs (SMBH) et les particules de matière noire. Cette découverte pourrait résoudre le « problème du parsec final », un obstacle majeur à la compréhension des fusions de trous noirs supermassifs.
Le problème du parsec final et la matière noire
Les trous noirs supermassifs, dont la masse peut atteindre des milliards de fois celle du Soleil, se trouvent généralement au centre des galaxies. Lorsqu’ils entrent en collision, les trous noirs de ces galaxies gravitent en orbite l’un autour de l’autre et se rapprochent progressivement l’un de l’autre jusqu’à leur fusion. Cependant, des simulations théoriques ont montré que cette approche s’arrête lorsque les deux trous noirs atteignent une distance de 1000 mètres. distance d’environ un parsec (environ trois années-lumière).
En détail, des modèles antérieurs ont montré que lorsque deux de ces énormes trous noirs se rapprochaient l’un de l’autre, leur gravité commençait à éjecter les particules de matière noire environnantes. Imaginez deux énormes vortex dans l’eau repoussant les débris flottants. De la même manière, les trous noirs supermassifs repoussaient la matière noire qui les entourait. Cette éjection de particules de matière noire créait alors un vide ou une raréfaction autour des trous noirs.
Ce vide posait un problème majeur. La fusion des trous noirs dépend du fait qu’ils perdent de l’énergie en interagissant avec la matière qui les entoure. Lorsque les particules de matière noire sont éjectées, il n’y a plus assez de matière pour continuer à absorber l’énergie des trous noirs. En conséquence, ils ralentissent leur approche et s’arrêtent à environ trois années-lumière de distance.
Ce phénomène connu sous le nom de « problème du parsec final » empêchait ainsi la fusion de ces objets, contredisant ainsi les observations d’ondes gravitationnelles émanant de l’univers. Ces ondes gravitationnelles proviendraient en fait de la fusion de millions de paires de trous noirs supermassifs.
Un nouveau modèle
Pour tenter de résoudre ce problème, une équipe de chercheurs dirigée par l’astronome Alexander Pavlov du Goddard Space Flight Center de la NASA a développé un nouveau modèle qui offre une perspective différente, plus optimiste. Plus précisément, les chercheurs ont introduit l’idée que les particules de matière noire ne sont pas simplement éjectées et dispersées sans interaction. Elles pourraient en fait intéragir ensemble afin de rester suffisamment dense autour des trous noirs.
Pour simplifier, imaginons que les particules de matière noire forment un réseau invisible qui, même après avoir été perturbé, se réorganise et conserve une certaine densité. Grâce à ces interactions, les particules de matière noire continuent d’absorber l’énergie des trous noirs supermassifs en orbite, ce qui les aide à continuer de se rapprocher les unes des autres.
Cette nouvelle compréhension change tout. Si les particules de matière noire peuvent effectivement interagir entre elles et maintenir une densité suffisante, alors les trous noirs supermassifs peut continuer à perdre de l’énergie et éventuellement fusionnerCela expliquerait pourquoi nous observons des ondes gravitationnelles provenant de telles fusions dans l’univers.
Cette recherche ne se limite pas à la compréhension du « problème du parsec final » ; elle ouvre également une fenêtre sur la nature même de la matière noire. Les chercheurs ont découvert que l’évolution des orbites des trous noirs est très sensible à la microphysique de la matière noire, ce qui signifie que nous pourrions utiliser les observations de fusions de trous noirs supermassifs pour mieux comprendre ces particules.