Crulls va-t-il danser autour des trous noirs ?

Les images d’ombres des trous noirs de la galaxie géante Messier 87 (M87), observées en collaboration avec l’Event Horizon Telescope (EHT), fournissent de riches informations astronomiques et gravitationnelles. Que pouvons-nous apprendre d’autre de ces belles images? En utilisant les variations de l’image de polarisation, une équipe internationale de scientifiques, dont Yue Zhao, professeur adjoint à l’Université de l’Utah, donne une nouvelle contrainte sur le couplage entre axion et photon dans la région jusque-là inexplorée.

En 2019, en combinant les observations des télescopes du monde entier, la collaboration EHT a publié une photo à très haute résolution d’un trou noir supermassif M87. La structure brillante en forme de beignet provient du rayonnement du flux d’accrétion autour du trou noir. Le trou noir avale la lumière dans la région centrale, créant une grande ombre à l’intérieur du beignet. La collaboration EHT met à jour la même photo deux ans plus tard avec des structures plus fines. Les lignes courbes montrant l’alignement de polarisation linéaire (angles de position des vecteurs électriques) transforment le beignet en un crull, une pâte ressemblant à un beignet avec des arêtes. Ces toutes premières images fournissent la preuve la plus directe des trous noirs et révèlent les champs magnétiques à l’extérieur de M87.

CRÉDITS PHOTOS : Télescope d’horizon d’événement

Une vue du trou noir supermassif M87* en lumière polarisée prise par le télescope Event Horizon et révélée le 24 mars 2021. La direction des lignes au-dessus de l’intensité totale marque la direction des oscillations vectorielles électriques de l’onde électromagnétique.

« L’axion est une hypothétique particule ultra-légère. Si l’axion existe et a la bonne masse, un trou noir supermassif en rotation générera des milliards et des milliards d’axions dans son voisinage, formant un gigantesque nuage d’axions”, a déclaré Zhao. “Le nuage va changer l’orientation de la lumière émise par le disque d’accrétion autour du trou noir. L’EHT mesure l’évolution de la polarisation dans le temps. S’il change selon un schéma spécifique, cela peut indiquer qu’il y a un nuage d’axions.

docteur Yifan Chen commente : « Nous sommes intrigués par l’idée que des particules ultralégères puissent s’accumuler à l’extérieur du trou noir. On s’est rendu compte que si l’ultra-léger Axion existait et restait en dehors du trou noir, ça ferait danser le Crull ! Avec les variations de quatre jours de Crullers, nous pouvons confiner le couplage axion-photon à la région jusque-là inexplorée.

Comment transformer les trous noirs supermassifs en détecteurs de particules ultralégères ? Cela remonte à une expérience de pensée de Roger Penrose en 1969. Imaginez que quelqu’un jette une pierre dans un trou noir en rotation rapide et que la pierre ait une certaine chance de s’échapper à une vitesse supérieure à la précédente. L’énergie supplémentaire qu’il transporte provient de la rotation du trou noir. Considérons maintenant la dualité particule-onde en mécanique quantique. Nous pouvons remplacer la roche par une vague à l’extérieur du trou noir en rotation. Il peut former un nuage dense en extrayant l’énergie et le moment cinétique de la tige noire, ce qu’on appelle le mécanisme de floraison. Afin de rendre ce processus suffisamment rapide, la longueur d’onde Compton du boson doit être comparable à la taille de l’horizon du trou noir. C’est ainsi que les trous noirs supermassifs deviennent des détecteurs naturels de particules ultralégères !

CRÉDITS PHOTOS : Chen, Yifen et al Nature Astro (2022)

Illustration de l’émission polarisée d’un trou noir de Kerr entouré d’un nuage d’axions. Différentes couleurs sur les carquois des angles de position du vecteur électrique (EVPA), allant du rouge au violet, représentent la variation temporelle de l’EVPA en présence d’un couplage axion-photon. Les carquois blancs sont les EVPA lorsque le champ axionique est absent. L’échelle d’intensité est normalisée de sorte que le pixel le plus brillant soit un.

Parmi les différents types de champs ultra-légers au-delà du modèle standard de la physique des particules, Axion est l’un des candidats les plus motivés. La recherche de l’axion est l’une des principales priorités de la physique des particules. Il se produit naturellement dans de nombreuses théories fondamentales avec des dimensions supplémentaires, telles que la théorie des cordes. Axion est également un candidat parfait pour la matière noire froide. Dans la fenêtre de masse ultra-légère, certains des problèmes à petite échelle de la galaxie peuvent être résolus en faisant en sorte que ces champs forment un noyau au centre.

Une fois que l’axion ultra-léger existe dans la fenêtre de masse droite, un nuage d’axion dense et le trou noir au centre forment un état lié similaire à l’atome d’hydrogène et est appelé l’atome gravitationnel. Le professeur Jing Shu a déclaré : « Outre les effets gravitationnels purs, l’existence d’axions peut également faire pivoter périodiquement l’orientation de la polarisation linéaire, avec une période comprise entre cinq et 20 jours. Les variations de l’angle de polarisation se comportent comme une onde se propageant le long de l’anneau lumineux de photons, donnant à la danse des crullers un motif distinct plutôt qu’une marche aléatoire d’un ivrogne.

Les mesures polarimétriques de l’EHT fournissent la distribution spatiale des directions de polarisation linéaire pendant quatre jours, exactement les informations dont nous avons besoin pour rechercher Axion. Le professeur Yosuke Mizuno note : « Afin de supprimer les variations turbulentes du flux d’accrétion, nous avons introduit une nouvelle stratégie d’analyse utilisant la différence entre deux jours consécutifs comme observable pour limiter les variations d’EVPA induites par les axions. Avec des données plus détaillées qui seront fournies à l’avenir, un espace de paramètres beaucoup plus grand peut être étudié, en particulier l’observation temporelle plus séquentielle et de meilleures résolutions spatiales.

Publication: Yifan Chen, Yuxin Liu, Ru-Sen Lu, Yosuke Mizuno, Jing Shu, Xiao Xue, Qiang Yuan, Yue Zhao : Conditions d’axion sévères avec des mesures polarimétriques du télescope Event Horizon de M87. Astronomie naturelle 2022, mars https://www.nature.com/articles/s41550-022-01620-3

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