Le domaine de l'astronomie a été révolutionné, grâce à la toute première détection d'ondes gravitationnelles (GW). Depuis que la détection initiale a été effectuée en février 2016 par des scientifiques du Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), plusieurs événements gravitationnels ont été détectés. Ceux-ci ont fourni un aperçu d'un phénomène qui a été prédit il y a plus d'un siècle par Albert Einstein.

Comme il s'avère, l'infrastructure utilisée pour détecter les GW pourrait également percer un autre mystère astronomique :la matière noire. Selon une nouvelle étude menée par une équipe de chercheurs japonais, les interféromètres laser pourraient être utilisés pour rechercher des particules massives à interaction faible (WIMP), une particule candidate majeure dans la chasse à la matière noire.

Récapituler, Les WIMPS sont une particule élémentaire théorique qui n'interagit avec la matière normale (baryonique) que par la force gravitationnelle "faible". Comme avec d'autres particules élémentaires qui font partie du modèle standard (dont WIMPS ne sont pas), ils auraient été créés au début de l'univers lorsque le cosmos était extrêmement chaud.

Les WIMPs sont essentiellement la particule candidate microscopique, ce qui les place à l'opposé du spectre de l'autre candidat majeur, les objets macroscopiques à halo compact massif (MACHO). Jusque là, plusieurs expériences ont été menées pour trouver ces particules, allant des collisions de particules et des détections indirectes à des méthodes plus directes, mais les résultats ont été largement peu concluants.

Comme le Dr Satoshi Tsuchida, professeur de physique à l'Université de la ville d'Osaka et auteur principal de l'étude, Raconté Univers aujourd'hui par email:

"[La plupart] des MACHO sont censés être constitués de matière baryonique, mais les baryons ne représentent que 5 pour cent de l'univers. Ainsi, nous ne pouvons pas expliquer la structure de l'univers actuel si toute la matière noire est constituée de MACHO. D'autre part, Les WIMPs sont de la matière non baryonique, et nous n'avons aucune raison de [les] exclure de la matière noire… Par conséquent, Les WIMPs peuvent être des candidats prometteurs pour la matière noire."

Pour le plaisir de leur étude, l'équipe de recherche (qui comprend des membres de l'Institut Nambu Yoichiro de physique théorique et expérimentale de l'Université d'Osaka et de l'Université Ritsumeikan) propose une nouvelle méthode de recherche qui tire parti des avancées récentes dans la détection des ondes de gravité. En utilisant la même méthode pour détecter les ondulations dans l'espace-temps, ils soutiennent que les WIMPs pourraient également être détectés pour la première fois.

Cela constituerait une approche de "détection directe" utilisant des interféromètres laser, une méthode qui a été proposée dans le passé. Cependant, cette méthode n'a pas encore été testée, en partie parce que les scientifiques n'ont pas encore calculé quels types de signaux seront provoqués par les interactions directes entre les WIMPs et les nucléons dans le miroir d'un interféromètre laser.

Cependant, l'équipe de recherche soutient que les mouvements d'un pendule et d'un miroir dans un détecteur GW deviendront excités en raison d'une collision. L'équipe de recherche a analysé ces mouvements et estimé à quel point ils seraient détectables par un système de capteurs hautement sophistiqués comme ceux utilisés par LIGO et d'autres détecteurs GW.

De là, l'équipe a été en mesure de fournir un cadre qui pourrait être utile pour de futures recherches. "Ainsi, notre méthode pourrait [fournir] de nouvelles connaissances sur la matière noire [recherche], " a déclaré le Dr Satoshi. " Les détecteurs GW de la prochaine génération ont une meilleure sensibilité que ceux de la génération actuelle, le rapport signal/bruit serait donc amélioré de quelques ordres de grandeur."

"Si nous pouvons établir une méthode pour extraire les signaux de matière noire sur le détecteur GW, la méthode pourrait jouer [un] rôle important pour élucider la nature des WIMPs par [une] approche indépendante, " ajouta-t-il. " Ainsi, notre étude pourrait aider à révéler la structure de l'univers non seulement à l'heure actuelle, mais aussi dans le passé et le futur."

Il s'agit notamment du détecteur d'ondes gravitationnelles Kamioka, Le télescope cryogénique à ondes gravitationnelles à grande échelle (KAGRA) au Japon - actuellement en cours de modernisation - et le télescope Einstein (ET), un détecteur européen de troisième génération encore en phase de conception. Lorsque ceux-ci seront mis en ligne et rejoindront LIGO et l'observatoire de la Vierge en Italie, ils permettront un taux de détection sans précédent.

Ce n'est pas la première fois que les scientifiques suggèrent d'autres applications pour la recherche sur la GW. Par exemple, une équipe internationale de scientifiques a récemment proposé que les GW puissent être utilisés pour étudier les galaxies naines dans l'espoir de voir comment elles sont dominées par la matière noire. Une autre proposition consiste à utiliser les GW pour mesurer le taux d'expansion de l'univers, une méthode qui pourrait nous en dire beaucoup sur la nature et l'influence de l'énergie noire.