Il peut s'avérer que la substance insaisissable ne consiste pas en de nouvelles particules
Lorsque le haut-parleur du projet
aLIGO (Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer) a annoncé la détection des ondes gravitationnelles le 11 février 2016, j'ai été étonné. Bien sûr, nous nous attendions à ce que aLIGO nous donne quelque chose d'intéressant à un moment donné, mais nous pensions à des résultats préliminaires. Nous pensions que le projet, après des calculs compliqués et difficiles pendant plusieurs mois, nous donnerait une sorte de signal faible, un peu plus haut que le bruit.
Mais non, les graphiques présentés ce jour fatidique de février étaient si clairs et sans ambiguïté qu'ils n'avaient rien à prouver. De mes propres yeux, je pouvais voir une forme d'onde qui ne pouvait être confondue avec rien - c'est la fusion de deux trous noirs, à la suite de quoi des ondes gravitationnelles se sont déclenchées dans l'espace-temps environnant.
Et ce n'était pas tout. Les trous noirs vus par aLIGO n'auraient pas du tout dû exister. Nous connaissons l'existence de trous noirs d'une masse d'un million ou d'un billion de fois la masse du Soleil, et nous avons vu de petits trous noirs d'une masse comparable à celle du soleil. Mais la masse de trous noirs vue par aLIGO était 30 à 60 fois plus grande que le soleil. Certains de mes collègues soutiennent que les trous noirs de taille moyenne découverts par aLIGO peuvent se révéler être la même matière noire qui nous cache depuis près de 50 ans.
Ce n'est pas la première fois que les scientifiques suggèrent que les trous noirs peuvent être de la matière noire, mais nous pensions que cette possibilité était clairement rejetée. La résurrection de cette idée est un autre exemple de la riche activité créatrice qui survient après une nouvelle découverte. Les idées démodées peuvent y revenir si vous les regardez sous un jour nouveau et avec enthousiasme - et même remplacez les points de vue acceptés. La révision des découvertes rassemble également des domaines de recherche apparemment incomparables - dans notre cas, il s'agit de matière noire et d'ondes gravitationnelles - et conduit à des connexions fructueuses.
Dans les années 1970, Stephen Hawking et son étudiant diplômé Bernard Carr ont suggéré que du chaos qui a éclaté après le Big Bang, une mer de minuscules
trous noirs primaires pourrait émerger. Au fil du temps, ils pourraient croître et devenir la base de la formation de galaxies. Ils pourraient même contribuer au budget énergétique global de l'univers. Les trous noirs sont lourds et difficiles à voir - nous avons besoin de ces propriétés pour expliquer la matière absente de l'Univers.
Depuis plusieurs décennies, les fidèles partisans de cette idée l'ont développée. Dans les années 1990, elle semblait avoir survécu à un coup fatal. Dans l'expérience
MACHO , les scientifiques ont envoyé un télescope dans le Grand Nuage de Magellan à la recherche d'une lumière vacillante, ce qui signifierait qu'un trou noir passait devant l'étoile. Ils ont constaté qu'il serait très difficile d'obtenir suffisamment de trous noirs pour leur faire perdre toute la matière noire de l'univers.
Plus tard, Timothy Brandt du Princeton Institute for Advanced Studies a étudié l'effet des trous noirs sur les agglomérations d'étoiles denses, connues sous le nom d'amas globulaires vivant dans des galaxies naines se cachant dans le vide autour de la Voie lactée. Il a montré qu'en cas d'excès de trous noirs, ces amas chaufferaient, gonfleraient et mourraient rapidement. En substituant des valeurs spécifiques à un amas particulier dans la galaxie naine Eridanus II, il a pu montrer que seule une petite partie de la matière noire peut exister sous forme de trous noirs. À cet égard, l'idée de trous noirs agissant comme matière noire s'est transformée en une autre idée exotique, avec laquelle les théoriciens aiment jouer, mais sans véritable soutien dans la nature.
Et la recherche de matière noire s'est concentrée sur les particules massives à interaction faible,
WIMP . Ce sont des particules fondamentales, des reliques des temps les plus reculés, lorsque les interactions fondamentales dans la nature se combinaient et se comportaient complètement différemment de ce qu'elles sont maintenant. Pour beaucoup de mes collègues, la découverte de WIMP est inévitable, elle doit exister. Dès que nous construirons un outil suffisamment grand et puissant, alors, selon la plupart des cosmologistes, nous verrons inévitablement ces particules étranges.
Cela ne se produit tout simplement pas. Au fil du temps, nos détecteurs sont devenus plus puissants et plus grands, mais ils n'ont rien trouvé. Dans une récente expérience
LUX à la recherche de particules rares qui laissent leur énergie dans une demi-tonne de xénon liquide enterré à un kilomètre sous terre à Lead dans le Dakota du Sud, ils n'ont pas pu montrer de preuves de particules jamais vues auparavant. Richard Gateskel de l'Université Brown, l'un des fondateurs de LUX, a déclaré: «Ce serait merveilleux si une meilleure sensibilité nous permettait de voir un signal clair de matière noire. Cependant, ce que nous observons ne correspond qu'à l'arrière-plan. »
Étant donné la position désespérée de WIMP, il est logique de reprendre quelques vieilles idées spéculatives et rejetées. Dans deux ouvrages récents, dont l'un était dirigé par Simeon Bird de l'Université. C'est exactement ce que John Hopkins et l'autre, Misao Sasaki de l'Université Yukawa à Tokyo.
Alimentés par la découverte d'aLIGO, ils ont étudié la question de savoir si les trous noirs pesant plusieurs dizaines de cellules solaires pouvaient être de la matière noire. Il devrait y avoir eu 10 milliards de tels trous dans la Voie lactée, et le plus proche d'entre eux pourrait être à quelques années-lumière de notre système solaire. Certains d'entre eux devaient former des systèmes binaires, et certains de ces systèmes pouvaient être détectés par aLIGO. Les deux équipes conviennent que aLIGO devrait détecter de plusieurs unités à plusieurs dizaines de tels événements par an, et ils devraient prévaloir sur les autres trous noirs qui apparaissent d'une manière telle que l'effondrement des étoiles. En d'autres termes, si ces trous noirs sont de la matière noire galactique, vous pouvez vous attendre à ce que aLIGO les voie. Et il les a vus.
Le diable dans les détails. Comment les trous noirs préhistoriques devaient apparaître est toujours une question ouverte. Une idée est qu'ils ont surgi dans une brève période d'expansion accélérée de l'Univers précoce, pendant l'inflation. Les chocs et les vibrations de cette période étaient censés concentrer l'énergie dans des boules denses, ce qui donnerait lieu à la formation de trous noirs. Pour que nous puissions les détecter, ces trous doivent se rapprocher suffisamment pour fusionner et émettre des ondes gravitationnelles. Comment et quand cela se produit dépend de la forme de la Voie lactée, de la densité de la masse et de la vitesse des trous noirs. Des hypothèses raisonnables donnent une réponse prometteuse, mais ce ne sont encore que des spéculations.
Ce ne sont que les premiers pas sur le terrain après l'euphorie de la découverte de aLIGO, et tout peut arriver. Les limites de l'expérience MACHO et la physique des amas globulaires vont à l'encontre de cette idée, mais une idée brillante peut résoudre tous les problèmes associés aux observations.
L'ouverture de aLIGO me rappelle une autre transformation que j'ai observée dans ma carrière. En 1991, le
satellite COBE a mesuré pour la première fois les ondes CMB laissées par le Big Bang. La recherche décevante et presque fantaisiste de ce rayonnement a duré plus de 25 ans et s'est presque déplacée dans les domaines provinciaux de la cosmologie. La cosmologie elle-même semblait une science ésotérique et difficile à décrire, un sujet vague, bien que très intéressant et créatif. Mais lorsque le rayonnement a finalement été trouvé, cela a créé une avalanche d'idées non seulement pour l'astronomie, mais aussi pour la physique des particules.
Depuis des décennies, nous essayons de relier les lois fondamentales de la nature qui régissaient l'Univers primitif à la façon dont les galaxies sont apparues afin d'évoluer et de former les structures à grande échelle visibles aujourd'hui. La découverte du COBE m'a mis sur la voie que j'ai suivie jusqu'à ce jour, et je peux imaginer comment aLIGO fera de même avec une nouvelle génération de physiciens dans leur recherche de matière noire.