Des indices de matière noire détectés dans des signaux d’ondes gravitationnelles par un chercheur du CP3

Les ondes gravitationnelles issues de la fusion de trous noirs ouvrent une nouvelle voie pour l'exploration de la physique fondamentale. Ces signaux peuvent révéler si les trous noirs sont entourés de matière d’une forme encore inconnue et extrêmement difficile à détecter autrement.

Dans cette recherche, le Dr Soumen Roy, chercheur postdoctoral au sein du centre CP3, et ses collaborateurs ont étudié la possibilité que les fusions de paires de trous noirs soient entourées de particules scalaires ultralégères, qui figurent parmi les candidats les plus prometteurs pour la matière noire. Si elles sont présentes, ces particules peuvent influencer le mouvement des trous noirs lors de leur approche et laisser des signatures subtiles mais mesurables dans le signal d'ondes gravitationnelles émis par le système de deux trous noirs.
Pour tester cette hypothèse, ils ont développé un nouveau modèle d'émission d’ondes gravitationnelles qui prend en compte les effets des champs scalaires autour des binaires de trous noirs. Ce modèle a été validé par des simulations basées sur la relativité numérique, puis appliqué aux données des trois premières campagnes d'observation de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA.
Cette analyse établit les premières limites physiquement significatives des champs scalaires autour des systèmes binaires de trous noirs. Bien que la plupart des événements observés restent compatibles avec un modèle de vide autour des trous noirs, un événement en particulier, GW190728, apporte des indices préliminaires en faveur de l’environnement étudié. Si de futures observations d'ondes gravitationnelles confirment cette interprétation, cela pourrait indiquer l'existence d'une nouvelle particule ultralégère d'une masse d'environ 10⁻¹² électronvolts.

Plus en générale, ce travail démontre que les observations d'ondes gravitationnelles permettent d'explorer les environnements de champ scalaire autour de la fusion de trous noirs, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour tester la matière noire et d'autres nouveaux phénomènes physiques dans le régime de la gravité forte.