Les hypothétiques objets compacts exotiques pourraient bientôt être détectés

Les trous noirs et étoiles à neutrons sont actuellement les seuls représentant des objets compacts expérimentalement confirmés dans le catalogue des objets cosmiques. Cependant, d’autres de ces objets — appelés objets compacts exotiques — comme les fuzzball, les gravastars ou les étoiles de Planck, ont été suggérés par les physiciens au cours du temps. Et ils pourraient signaler leur présence via les ondes gravitationnelles qu’ils émettraient. Bien que les détecteurs actuels comme LIGO et Virgo soient encore trop peu sensibles pour détecter de tels signaux, des mises à jour de leurs performances pourraient amener à la détection de ces objets hypothétiques dans le futur. 

Une nouvelle étude détermine que, dans les années à venir, les observatoires d’ondes gravitationnelles sur Terre pourraient permettre de trouver les hypothétiques objets compacts exotiques (OCE). LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), basé aux États-Unis, et son homologue européen Virgo, ont été conçus pour capturer les ondulations dans le tissu de l’espace-temps rayonnant à partir d’objets massifs tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons. Pourtant, il y a toujours une chance que les scientifiques rencontrent quelque chose d’inattendu.

Objets compacts exotiques

Les chercheurs spéculent sur la possibilité de l’existence d’objets compacts exotiques depuis de nombreuses années et tentent de déterminer à quoi ils ressembleraient pour un détecteur d’ondes gravitationnelles. Le terme « objet compact exotique » englobe une variété d’entités théoriques différentes. Parmi ces objets se trouvent les gravastars (similaires aux trous noirs ordinaires, mais remplis d’énergie sombre, une substance mystérieuse provoquant l’accélération de l’expansion de l’Univers).

D’autres objets compacts qui pourraient se cacher dans l’Univers sont les fuzzball. Une fuzzball un agglomérat de cordes fondamentales proposé dans la théorie des cordes et censé remplacer les trous noirs classiques de la relativité générale. Le facteur qui relie les objets compacts exotiques est que, contrairement à un trou noir, ils ne devraient pas posséder de région connue sous le nom d’horizon des événements. Selon la théorie de la relativité d’Albert Einstein, l’horizon des événements est une sphère entourant un trou noir au-delà duquel il est impossible de revenir.

Les objets peuvent passer à travers l’horizon des événements, mais rien ne peut en sortir — pas même la lumière. Mais les physiciens savent que la théorie de la relativité d’Einstein devra un jour être remplacée. Bien que la théorie réussisse extraordinairement à décrire la gravité et les entités cosmiques massives, elle ne dit rien sur le comportement des particules subatomiques. Pour cela, les physiciens se tournent vers la mécanique quantique.

L’espoir est d’avoir finalement une théorie de la gravité quantique qui unifie la relativité et la mécanique quantique. Des objets compacts exotiques, qui ressembleraient à un trou noir, mais sans horizon des événements, pourraient aider à fournir les informations nécessaires pour construire cette future théorie.

Repérer les OCE grâce aux ondes gravitationnelles

Lorsque deux trous noirs entrent en collision et fusionnent, ils tournent l’un autour de l’autre, déformant l’espace-temps et générant des ondes gravitationnelles, qui peuvent alerter les détecteurs de LIGO sur Terre. Après leur rencontre, l’horizon des événements empêche des ondes gravitationnelles supplémentaires de s’échapper vers l’extérieur.

Mais comme les objets compacts exotiques n’auraient pas d’horizon des événements, certaines ondes gravitationnelles pourraient tomber vers le centre de l’objet, puis rebondir, créant des échos gravitationnels qui s’échappent vers l’extérieur. Ces échos sont trop faibles pour être détectés par LIGO et Virgo pour le moment, mais les installations sont actuellement en cours de mise à niveau pour une sensibilité accrue, et ils ont été rejoints par le détecteur d’ondes gravitationnelles Kamioka (KAGRA) au Japon, qui est devenu opérationnel l’année dernière.

Luís Longo (Universidade Federal do ABC à São Paulo) et ses collègues ont calculé que lors de la prochaine course d’observation des détecteurs d’ondes gravitationnelles, qui devrait commencer à l’été 2022, LIGO et ses homologues pourraient être suffisamment sensibles pour capter le signal d’un ou deux objets compacts exotiques, s’ils existent. Cependant, même si LIGO détectait des échos, il faudrait probablement encore beaucoup de temps avant que la communauté scientifique ne confirme qu’ils proviennent vraiment de ces hypothétiques objets.