Des physiciens et mathématiciens ont travaillé sur un projet d'un nouveau genre pour détecter les ondes gravitationnelles. Il pourrait permettre de détecter des trous noirs primordiaux, pour l'instant hypothétiques.

Cette expérience montre peut-être à quoi ressembleront de futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles, destinés à détecter de très petits trous noirs présents juste après le Big Bang. Dans une étude de la revue Physical Reviews D, relayée le 21 juin 2021 par l’université libre de Bruxelles (ULB), une équipe de physiciens et mathématiciens explique comment il serait, selon eux, envisageable de repérer de minuscules trous noirs primordiaux — le texte de l’étude est accessible dans une version prépubliée sur arXiv.

Comme le rappellent les auteurs, l’existence de trous noirs primordiaux, formés dans les premiers instants de l’Univers, est hypothétique. « Les trous noirs primordiaux de masse planétaire pourraient provenir de l’effondrement gravitationnel d’inhomogénéités primordiales dans l’Univers primitif », lit-on dans l’étude. Ces trous noirs auraient pu survivre jusqu’à aujourd’hui.

Si l’existence de trous noirs primordiaux n’est toujours pas démontrée, c’est parce qu’il est difficile de les différencier d’autres trous noirs, issus de la mort d’une étoile. C’est pourquoi ces chercheurs proposent d’essayer d’observer des trous noirs très petits, de la masse d’une planète et d’à peine quelque centimètres, pour les différencier.

Schéma de cette expérience théorique. // Source : ULB

L’onde gravitationnelle ferait « siffler » la cavité

Ils étudient donc « la possibilité de détecter des ondes gravitationnelles à partir de trous noirs primordiaux de masse planétaire binaires avec des détecteurs électromagnétiques d’ondes gravitationnelles à haute fréquence ».

On peut se représenter l’onde gravitationnelle comme une ondulation invisible et particulièrement rapide de l’espace. Les ondes gravitationnelles font vibrer la matière et l’énergie, se propageant dans l’Univers à la vitesse de la lumière. Deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre (d’où la mention d’un système binaire par les auteurs) peuvent en être la source. L’objectif serait de capter les ondes émises par la fusion d’un binôme de trous noirs primordiaux, supposées être de plus hautes fréquences que celle que l’on détecte actuellement (soit environ 100 mégahertz, contre 10-1000 hertz pour les ondes actuellement observées).

Pour cela, les auteurs proposent d’utiliser une « antenne » à ondes gravitationnelles. Elle serait « composée d’une cavité métallique spécifique et adéquatement plongée dans un puissant champ magnétique extérieur », décrit l’ULB dans son communiqué. C’est à l’intérieur de cette cavité que, lorsque l’onde gravitationnelle passerait à travers le champ magnétique, des ondes électromagnétiques seraient produites. C’est un peu comme si l’onde gravitationnelle faisait « siffler » la cavité avec des micro-ondes, résume l’ULB.

L’un des atouts de ce type d’expérience serait sa taille : le détecteur n’aurait pas besoin d’être plus grand que quelques mètres. Les observatoires d’ondes gravitationnelles actuellement utilisés, comme LIGO et Virgo, s’étendent sur des kilomètres. Pour le moment, la méthode n’en est qu’au stade théorique, et il resterait encore à concevoir un prototype. L’idée est en tout cas prometteuse, d’autant plus qu’elle ne permettrait pas seulement de détecter des trous noirs primordiaux. On pourrait également imaginer s’en servir pour observer des ondes gravitationnelles émises lors du Big Bang.

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