Event Horizon Telescope images reveal new dark matter detection method
Des images du télescope Event Horizon révèlent une nouvelle méthode de détection de la matière noire
Par Tejasri Gururaj, Phys.org
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Images simulées du trou noir supermassif M87*. Le panneau de gauche montre le rayonnement du plasma astrophysique et le panneau de droite illustre l'émission potentielle due à l'annihilation de la matière noire. Crédit : Yifan Chen.
Selon une nouvelle étude de Physical Review Letters, les trous noirs pourraient contribuer à résoudre le mystère de la matière noire. Les zones d'ombre des images de trous noirs prises par le télescope Event Horizon peuvent servir de détecteurs ultra-sensibles pour la matière invisible qui compose la majeure partie de la matière de l'univers.
La matière noire représente environ 85 % de la matière de l'univers, mais les scientifiques ignorent encore sa nature exacte. Alors que les chercheurs ont proposé d'innombrables méthodes pour la détecter, cette étude présente l'imagerie des trous noirs comme une nouvelle méthode de détection, offrant des avantages indéniables.
Les images saisissantes de trous noirs supermassifs prises par l'Event Horizon Telescope ont révélé bien plus que la simple géométrie de l'espace-temps ; elles ont ouvert une fenêtre inattendue sur la recherche de matière noire.
Phys.org s'est entretenu avec les co-auteurs Jing Shu de l'Université de Pékin et Yifan Chen de l'Institut Niels Bohr.
« J'ai toujours été fasciné par des instruments comme l'Event Horizon Telescope (EHT), qui nous permettent d'explorer les environnements extrêmes entourant les trous noirs supermassifs et de repousser les limites des lois physiques connues », a déclaré Shu.
Chen a ajouté : « L'idée d'utiliser les trous noirs comme détecteurs de nouvelles particules me fascine. Leur gravité extrême en fait des concentrateurs naturels de matière, créant un point de rencontre unique pour la physique des particules, la gravité et l'observation astrophysique.»
L'équipe de recherche s'est concentrée sur une caractéristique frappante des images de trous noirs : la zone d'ombre qui apparaît sombre dans les observations EHT de M87* et Sagittarius A*.
Une chambre noire cosmique
Le télescope Event Horizon est un réseau mondial d'observatoires radio travaillant de concert pour atteindre une résolution équivalente à celle de la Terre grâce à l'interférométrie à très longue base. Fonctionnant à une fréquence de 230 GHz, le télescope capte le rayonnement synchrotron, la lumière produite par les électrons qui gravitent en spirale le long des intenses lignes de champ magnétique à proximité des trous noirs supermassifs.
Pour comprendre ce qu'ils observent, les astrophysiciens effectuent des simulations informatiques complexes.
Le modèle du disque à arrêt magnétique (MAD) a toujours obtenu la meilleure concordance avec les observations EHT. Ce modèle décrit des champs magnétiques intenses pénétrant le disque d'accrétion, où ils régulent à la fois le flux de matière entrante et les jets de puissance qui jaillissent perpendiculairement au disque.
Le modèle MAD explique notamment pourquoi les ombres des trous noirs apparaissent sombres : la plupart des électrons se trouvent dans le disque d'accrétion, tandis que les régions des jets situées au-dessus et en dessous sont relativement pauvres en particules, ce qui crée un contraste marqué sur les images.
« Le plasma astrophysique ordinaire est souvent expulsé par de puissants jets, ce qui rend la région d'ombre particulièrement faible », explique Chen. « La matière noire, en revanche, pourrait injecter continuellement de nouvelles particules qui rayonnent dans cette région. »
Comme on s'attend à ce que la matière noire se concentre en masse près du centre du trou noir, même de faibles signaux d'annihilation pourraient se détacher de ce faible bruit de fond astrophysique, faisant de l'ombre un terrain d'essai idéal.
Modélisation de la matière noire
L'attraction gravitationnelle des trous noirs supermassifs provoque une concentration spectaculaire de la matière noire à leur proximité, formant ce que les physiciens appellent un « pic de matière noire ». Ces régions atteignent des densités d'ordres de grandeur supérieures à celles observées ailleurs.
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Comme les taux d'annihilation de la matière noire dépendent du carré de la densité, ces densités accrues pourraient produire des signaux détectables, si l'annihilation se produit.
L'équipe de recherche a développé un cadre sophistiqué qui s'appuie directement sur le modèle MAD en ajoutant la physique de la matière noire à la base astrophysique.
L'équipe a appliqué des simulations magnétohydrodynamiques relativistes générales (GRMHD) ainsi qu'une modélisation détaillée de la propagation des particules. Grâce à ce cadre, elle a pu modéliser le comportement des électrons et des positons issus d'une hypothétique annihilation de matière noire dans les structures de champ magnétique extraites du modèle MAD.
Contrairement aux études précédentes qui s'appuyaient sur des modèles sphériques simplifiés, cette approche utilise les configurations de champ magnétique asymétriques et réalistes extraites des simulations MAD – les mêmes champs qui façonnent l'émission astrophysique que nous observons.
« Ce que nous observons sur les images de trous noirs n'est pas le trou noir lui-même, mais la lumière émise par des électrons ordinaires dans le disque d'accrétion environnant, dont le comportement peut être modélisé grâce à des principes physiques bien connus », a déclaré Shu.
« Si des particules de matière noire s'annihilaient près du trou noir, elles produiraient des électrons et des positons supplémentaires dont le rayonnement semble légèrement différent de l'émission normale.»
La distinction essentielle réside dans la distribution spatiale. Dans le modèle MAD, les électrons se concentrent dans le disque d'accrétion, avec des populations éparses dans les régions de jets, créant ainsi l'ombre noire.
En revanche, les électrons et les positons issus de l'annihilation de matière noire seraient distribués plus uniformément dans les régions du disque et des jets, car l'annihilation de matière noire fournit continuellement des particules, même là où les processus astrophysiques produisent peu d'électrons.
L'équipe a examiné deux canaux d'annihilation – les paires quark-antiquark bottom et les paires électron-positon – sur des masses de matière noire allant de moins de GeV à environ 10 TeV.
Pour chaque scénario, ils ont calculé le rayonnement synchrotron résultant et généré des images synthétiques de trous noirs combinant l'émission astrophysique (provenant du MAD) et les signaux potentiels de matière noire.
La morphologie comme sonde
L'approche des chercheurs, qui consiste à exploiter la morphologie des images de trous noirs plutôt que la seule luminosité totale, distingue ces travaux.
Ils exigeaient que les signaux d'annihilation de matière noire restent inférieurs à l'émission astrophysique en tout point de l'image, en particulier dans la zone d'ombre interne.
« En comparant ces prédictions avec des images EHT réelles en chambre noire, nous pouvons rechercher des signaux subtils susceptibles de révéler la matière noire », a déclaré Shu.
Cette approche morphologique s'avère nettement plus performante que les contraintes précédentes basées uniquement sur l'intensité totale. L'analyse exclut d'importantes régions de l'espace paramétrique jusqu'alors inexploré, limitant les sections efficaces d'annihilation à environ 10-27 cm³/s pour les observations EHT actuelles.
« Nos exclusions, basées sur les observations EHT actuelles, explorent déjà de vastes régions de l'espace paramétrique jusqu'alors inexplorées, surpassant d'autres recherches supposant des profils de densité similaires », a déclaré Chen.
Les contraintes restent robustes face aux incertitudes astrophysiques, notamment les variations des paramètres de spin des trous noirs et de température du plasma, facteurs qui introduisent généralement des incertitudes significatives dans les recherches indirectes de matière noire.
Perspectives d'avenir
La véritable puissance de cette approche sera révélée grâce aux améliorations prévues de l'EHT. Ces améliorations promettent d'augmenter la plage dynamique de près de 100 fois et d'atteindre une résolution angulaire équivalente à environ un rayon gravitationnel, permettant ainsi de sonder plus profondément les zones d'ombre les plus sombres.
« L'amélioration clé réside dans l'amélioration de la plage dynamique du télescope, c'est-à-dire sa capacité à révéler des détails très faibles juste à côté de structures extrêmement brillantes », a expliqué Chen.
Un exemple courant est le mode « plage dynamique élevée » (HDR) de nombreux smartphones, qui utilise un traitement avancé pour faire ressortir les détails des ombres et des hautes lumières d'une même image.
Ces améliorations pourraient permettre la détection de matière noire avec des sections efficaces d'annihilation proches de la valeur de relique thermique, une cible théoriquement bien motivée, pour des masses allant jusqu'à environ 10 TeV.
À l'avenir, les chercheurs envisagent plusieurs pistes pour approfondir ces recherches.
« L'ombre du trou noir n'est pas seulement une image statique ; c'est un laboratoire dynamique et multicouche », a déclaré Shu. « Au-delà des cartes d'intensité, les données de polarisation de l'EHT ouvrent également de nouvelles perspectives, car la polarisation code la façon dont les champs magnétiques et le plasma façonnent le rayonnement.»
Les observations multifréquences s'avéreront également cruciales, selon Shu. Différents mécanismes de rayonnement évoluent différemment avec la fréquence, ce qui permet aux chercheurs de déterminer la source du rayonnement.
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RESUME
Les images du télescope Event Horizon révèlent une nouvelle méthode de détection de la matière noire.
Selon une nouvelle étude de Physical Review Letters, les trous noirs pourraient contribuer à résoudre le mystère de la matière noire. Les zones d'ombre des images de trous noirs prises par le télescope Event Horizon peuvent servir de détecteurs ultra-sensibles pour la matière invisible qui compose la majeure partie de la matière de l'univers.
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COMMENTAIRES
Excellente idée de se servir d un trou noir supermassif pour tester la structure des disques d'accretion et discriminer matiere visible et matiere noire Bravo si ça marche vraiment !!!!
Car pour l instant je n'y vois encore aucune daractéristique précise de particules de matière noire !!!!
Mes élèves me poent déjà la question de base :
Comment des scientifiques ont-ils capturé la première image d'un trou noir… Et je réponds ;avec un trou noir on ne peut que le détecter indirectement ...
Les scientifiques ont obtenu la première image d'un trou noir grâce aux observations du télescope Event Horizon au centre de la galaxie M87. L'image montre un anneau brillant formé par la courbure de la lumière sous l'effet de la gravité intense autour d'un trou noir 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil.
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More information: Yifan Chen et al, Illuminating Black Hole Shadows with Dark Matter Annihilation, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/yxqg-363n.
Journal information: Physical Review Letters
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