Les conditions extrêmes que l’on retrouve dans les étoiles à neutrons en font des laboratoires idéaux pour étudier la physique dans des conditions uniques dans l’univers. Les scientifiques soupçonnent également que certaines étoiles mortes, composées de la matière la plus dense de l’univers connu, appelées étoiles à neutrons, pourraient servir de pièges à particules de matière noire, qui entrent en collision à grande vitesse et s’annihilent. De nouvelles recherches suggèrent que les naines brunes, aussi appelées étoiles ratées, pourraient agir comme des pièges gravitationnels pour la matière noire, forçant cette matière exotique à interagir entre elles.
Les scientifiques prévoient d’utiliser les «horloges» des étoiles mortes pour faire la lumière sur l’entité la plus mystérieuse de l’univers: l’énergie noire.
Ces garde-temps sont en réalité des pulsars, des étoiles à neutrons en rotation rapide, nées de la mort d’étoiles au moins huit fois plus massives que le Soleil. Les conditions extrêmes que l’on retrouve dans les étoiles à neutrons en font des laboratoires idéaux pour étudier la physique dans des conditions uniques au monde.
Les « pulsars millisecondes » peuvent tourner à des centaines de tours par seconde et émettre des faisceaux de rayonnement électromagnétique depuis leurs pôles, tels des phares cosmiques perçant l’espace. Leur nom vient du fait que, lors de leur première observation, ces étoiles à neutrons semblaient pulser, leur luminosité augmentant à mesure que leurs faisceaux étaient dirigés directement vers la Terre. Les résultats de l’équipe ont été présentés lors du National Astronomy Meeting (NAM) 2024 à l’Université de Hull le 15 juillet.
Schéma illustrant l’effet de lentille gravitationnelle provoqué par la matière noire. Robert Lee
La synchronisation ultra-précise des variations de luminosité des pulsars à l’échelle milliseconde permet de les utiliser comme horloges cosmiques dans des «antennes de chronométrage des pulsars». Ces antennes sont si précises qu’elles peuvent mesurer les perturbations gravitationnelles de l’espace-temps, combinées en une entité quadridimensionnelle appelée «espace-temps», ce qui pourrait constituer un moyen idéal pour rechercher la matière noire.
«La science a développé des méthodes très précises pour mesurer le temps», a déclaré John Losecco, chercheur spécialisé dans la mesure du temps des pulsars à l’Université de Notre-Dame. «Sur Terre, nous avons des horloges atomiques, et dans l’espace, nous avons des pulsars.»
La matière noire est si mystérieuse car elle n’interagit pas avec la lumière ni avec la matière normale. Si elle interagit, elle est très faible et indétectable. La «matière normale» est constituée d’atomes composés d’électrons, de protons et de neutrons, qui interagissent avec la lumière et la matière. Les scientifiques savent donc que la matière noire doit être constituée d’autres particules.
Malgré son absence d’interaction avec la lumière, la matière noire exerce une force gravitationnelle, dont la présence peut être déduite de la manière dont cette force affecte la lumière et, de fait, la matière ordinaire. C’est l’effet de cette force gravitationnelle sur la lumière que Losecco et ses collègues ont cherché à étudier à l’aide de pulsars.
Vue d’artiste d’un réseau de pulsars affectés par les ondulations gravitationnelles générées par un trou noir supermassif binaire dans une galaxie lointaine. Aurora Simonnet/NANOGrav
Selon la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, les objets dotés d’une masse courbent la structure même de l’espace-temps, et la gravité naît de cette courbure. Lorsque la lumière traverse cette courbure, sa trajectoire est également modifiée. Cela peut modifier le temps de propagation de la lumière, ce qui fait que la lumière provenant d’un même objet distant atteint la Terre à des moments différents, ce qui la ralentit théoriquement (la vitesse de la lumière ne change pas, seule la distance parcourue change).
La matière noire possède une masse, et par conséquent, les amas de cette mystérieuse forme de matière peuvent également courber l’espace-temps. Ainsi, la trajectoire de la lumière provenant d’objets lointains est courbée et son temps d’arrivée est retardé lorsqu’elle traverse des amas de matière noire. Cet effet est appelé «lentille gravitationnelle», le corps intermédiaire qui modifie la trajectoire de la lumière étant appelé «lentille gravitationnelle».
Losecco et ses collègues ont étudié les données recueillies auprès de 65 pulsars du réseau Parkes Pulsar Timing Array. Ils ont identifié une douzaine d’occurrences indiquant des changements et des retards dans la synchronisation des pulsars, généralement précise à la nanoseconde près.
Cela indique que les ondes radio émises par ces balises cosmiques semblables à des étoiles mortes traversent un espace déformé par une concentration invisible de masse quelque part entre le pulsar et le télescope. Les scientifiques supposent que ces masses invisibles pourraient être des amas de matière noire.
«Nous exploitons le fait que la Terre, le Soleil, le pulsar et même la matière noire se déplacent», a expliqué Losecco. «Nous observons des variations dans les temps d’arrivée dues aux variations de distance entre la masse observée et la ligne de visée de notre pulsar «horloge».»
Cette illustration montre une étoile à neutrons en rotation rapide, entourée d’un champ magnétique bleu qui émet des jets d’ondes radio. NASA Goddard/Walt Feimer
Les écarts observés par l’équipe sont relativement faibles. À titre d’exemple, un corps de la masse du Soleil provoquerait un retard d’environ 10 microsecondes dans les ondes radio du pulsar. Les écarts estimés du retard dû à la matière noire observés par l’équipe sont 10 000 fois inférieurs.
«L’une des découvertes indique une distorsion de la masse du Soleil d’environ 20%», a déclaré le professeur Losecco. «Cet objet pourrait être un candidat à la matière noire.»
L’un des effets secondaires des recherches de l’équipe a été d’améliorer la précision des données du Parkes Pulsar Timing Array, qui sont collectées pour rechercher des preuves de rayonnement gravitationnel à basse fréquence.
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Des amas de matière noire peuvent ajouter des interférences, ou du «bruit», à ces données. Identifier et éliminer ce bruit aidera les scientifiques à mieux exploiter l’ensemble de données pour rechercher des perturbations de basse fréquence dans l’espace-temps, appelées ondes gravitationnelles. Cela pourrait révéler un rayonnement gravitationnel provenant de fusions de trous noirs plus lointaines, et donc plus anciennes, et peut-être même des ondes gravitationnelles primordiales de fond, vestiges du Big Bang.
«La véritable nature de la matière noire reste un mystère», a déclaré Losecco. «Cette étude apporte un nouvel éclairage sur la nature de la matière noire et sa répartition dans la Voie lactée, et pourrait améliorer la précision des données sur les pulsars.»
Les scientifiques émettent l’hypothèse que certaines étoiles mortes, composées de la matière la plus dense de l’univers connu, appelées «étoiles à neutrons», pourraient servir de pièges à particules de matière noire qui entreraient en collision à grande vitesse et s’annihileraient. L’équipe affirme que le processus d’annihilation réchaufferait probablement les étoiles mortes de l’intérieur.
Globalement, la matière noire est un sujet délicat pour les chercheurs car, bien que constituant environ 85% de la matière de l’univers, elle est pratiquement invisible car elle n’interagit pas avec la lumière. La matière noire ne semble pas non plus interagir avec la «matière normale», composée de protons, de neutrons et d’électrons, ou si elle interagit, ces interactions sont rares et faibles. Nous ne les avons jamais observées. Cela soulève une question intéressante: la matière noire interagit-elle avec elle-même? Une étude de 2024 menée par Bell et ses collègues est disponible sur le dépôt arXiv.
Nicole Bell, physicienne théoricienne à l’Université de Melbourne, s’intéresse aux auto-interactions de la matière noire, qui se produisent dans la matière ordinaire lorsqu’un électron et son antiparticule, un positon, se rencontrent et s’annihilent, libérant de l’énergie. La matière noire est électriquement neutre, ce qui signifie que toutes les particules qui la composent pourraient, en théorie, posséder leurs propres antiparticules.
Le télescope spatial James Webb de la NASA, illustré sur cette illustration, peut détecter le rayonnement thermique des étoiles à neutrons, signe d’une annihilation de matière noire. NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
Et, comme pour l’annihilation de la matière ordinaire, lorsque les particules de matière noire se rencontrent, l’annihilation de la matière noire devrait se produire, et les étoiles à neutrons pourraient être l’environnement extrême idéal pour de telles interactions.
L’annihilation se produit lorsqu’une particule et une antiparticule entrent en collision et se détruisent mutuellement. C’est ce qui se produirait si la matière noire était sa propre antiparticule, comme le supposent souvent les modèles de matière noire les plus étudiés. La capture et l’annihilation de la matière noire dans les étoiles à neutrons fourniraient la chaleur qui empêcherait l’étoile de trop se refroidir.
Cela signifie que si les étoiles à neutrons peuvent agir comme des «pièges à matière noire», elles pourraient émettre une signature thermique. Si celle-ci est détectée, elles pourraient agir comme des «détecteurs de matière noire» rudimentaires, aidant les scientifiques à traquer cette forme de matière largement invisible.
Une étoile à neutrons naît lorsqu’une étoile d’au moins huit fois la masse du Soleil manque de combustible pour alimenter la fusion nucléaire dans son noyau. Cela met fin à la force de poussée de la pression de radiation qui a soutenu l’étoile contre la force de sa propre gravité pendant des millions, parfois des milliards, d’années.
Coupe transversale d’une étoile à neutrons remplie de matière quarkique exotique. Mais ces étoiles mortes pourraient-elles cacher quelque chose d’encore plus exotique? Jyrki Hokkanen/CSC
En conséquence, le noyau de l’étoile s’effondre, provoquant une explosion de supernova. Cette onde de choc emporte les couches externes de l’étoile mourante, ainsi que la majeure partie de sa masse, laissant derrière elle le noyau d’une étoile d’une masse une à deux fois supérieure à celle du Soleil, qui s’effondre sur une largeur d’environ 20 kilomètres.
Le fait de comprimer un corps équivalent à plus d’un demi-million de Terres dans un corps qui tiendrait naturellement à l’intérieur de Chicago a un effet considérable sur la matière du noyau de l’étoile. Électrons et protons sont écrasés, créant une mer de neutrons, des particules que l’on trouve normalement uniquement dans le noyau des atomes. Cette mer de neutrons, qui compose une étoile à neutrons, est si dense que si une cuillère à soupe de cette masse était lâchée sur Terre, elle pèserait plus d’un milliard de tonnes. C’est à peu près l’équivalent du mont Everest.
Les étoiles à neutrons sont donc constituées de la matière la plus dense de l’Univers connu, ce qui explique pourquoi les scientifiques pensent que leur attraction gravitationnelle pourrait être suffisamment forte pour retenir la matière noire, qui, bien qu’elle n’interagisse pas avec la lumière et la matière, interagit avec la gravité.
Bell explique que l’annihilation de matière noire était considérée comme fréquente lorsque l’univers, vieux de 13,8 milliards d’années, avait moins d’une seconde d’âge, mais qu’elle est considérée comme rare dans l’univers moderne. Les seules exceptions sont les régions contenant de grandes quantités de matière noire.
Et si la matière noire peut effectivement s’accumuler dans les profondeurs des étoiles à neutrons, Bell et ses collègues ont découvert que cela pourrait fournir l’environnement riche en matière noire idéal pour lui permettre de s’annihiler dans l’ancien univers.
«En fin de compte, il pourrait y avoir suffisamment de matière noire dans une petite zone pour qu’une annihilation significative de matière noire puisse se produire dans ces étoiles», a déclaré Bell.
Illustration d’une étoile à neutrons comparée à l’île de Manhattan. Centre spatial Goddard de la NASA.
Bell a ajouté que dans les expériences sur la matière noire menées dans les laboratoires sur Terre, les scientifiques recherchent des signaux provenant de particules de matière noire interagissant avec la matière normale, mais les étoiles à neutrons ont un avantage naturel à cet égard.
En laboratoire, nous recherchons des particules de matière noire entrant en collision avec des noyaux atomiques. Mais si cela est possible, alors la matière noire devrait également pouvoir entrer en collision avec des neutrons et des protons dans les étoiles à neutrons. Or, les étoiles à neutrons contiennent beaucoup de neutrons.
Dans l’étude des étoiles à neutrons et de la matière noire, l’énorme gravité des étoiles à neutrons peut créer une autre condition qui rend l’auto-interaction des particules de matière noire à l’intérieur de ces étoiles mortes encore plus probable.
La matière noire est accélérée à des vitesses proches de celle de la lumière lorsqu’elle percute une étoile à neutrons. Ceci est utile car cela peut accélérer les interactions, nous permettant potentiellement d’étudier certains types d’interactions de matière noire quasiment impossibles à observer expérimentalement sur Terre.
L’annihilation de la matière noire libère de l’énergie thermique dans ces pièges à étoiles mortes. L’équipe a donc également étudié le temps nécessaire aux étoiles à neutrons et à leur matière noire piégée pour atteindre un état appelé «équilibre thermique». C’est le point où les deux substances atteignent la même température et où aucun transfert de chaleur ne peut plus se produire entre elles.
Cette étude a montré qu’une étoile à neutrons remplie de matière noire pourrait atteindre l’équilibre thermique en seulement 10 000 ans, ou un an seulement, selon le modèle utilisé. En termes cosmiques, ce n’est qu’un clin d’œil.
Pour confirmer cette théorie, les chercheurs doivent mesurer la température des étoiles à neutrons. Découvrir que ces étoiles extrêmement mortes sont plus chaudes que prévu confirmerait que les particules de matière noire s’annihilent bel et bien dans leur noyau. Cependant, une telle découverte ne serait pas aisée, car seules les étoiles à neutrons plus anciennes et plus froides émettent un rayonnement thermique non atténué par d’autres rayonnements. Cela nécessiterait l’instrument d’observation le plus puissant jamais lancé par l’humanité dans l’espace : le télescope spatial James Webb.
(À gauche) Vue d’artiste de la répartition de la matière noire dans une étoile à neutrons (à droite). Centre de vol spatial Goddard de la NASA/VOLKER SPRINGEL, INSTUTU MAX-PLANCK D’ASTROPHYSIQUE
Les étoiles à neutrons qui nous intéressent le plus sont très froides et difficiles à observer. La température de ces étoiles produit un rayonnement proche infrarouge qui pourrait être observé par le télescope spatial James Webb (JWST).
Le manque de compréhension de la nature des étoiles à neutrons pourrait signifier que ce modèle d’annihilation sombre serait plus facile à tester sur le type de restes stellaires qui subsistent après la mort d’étoiles plus petites comme le Soleil: les naines blanches.
Les étoiles à neutrons seraient efficaces pour capturer la matière noire grâce à leur densité extrême. Mais ce sont aussi des étoiles relativement mal comprises. «Des idées similaires pourraient s’appliquer à d’autres étoiles que nous connaissons mieux, comme les naines blanches.»
Si la théorie est correcte, elle permettra non seulement de mieux comprendre la matière noire, mais aidera également les scientifiques à mieux comprendre l’évolution des étoiles à neutrons.
La matière noire peut être capturée par les étoiles et s’y accumuler. Dans ce cas, elle peut interagir avec elle-même et s’annihiler, libérant ainsi de l’énergie qui réchauffe l’étoile.
Le terme «naines noires» pourrait faire penser à une nouvelle race d’habitants de la Terre du Milieu adorateurs de Sauron, mais il s’agit en réalité d’un nouveau type de corps stellaires que l’on suppose exister au centre des galaxies. Les recherches de l’équipe ont été publiées dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) en 2025.
Le préfixe «obscur» ne fait pas ici référence au Seigneur des Ténèbres, mais à la matière noire, une substance mystérieuse qui constitue 85% de la matière de l’univers. Cette forme de matière reste pratiquement invisible car elle n’interagit pas avec la lumière, mais avec la gravité.
De nouvelles recherches suggèrent que les naines brunes, aussi appelées «étoiles ratées», pourraient agir comme des pièges gravitationnels pour la matière noire, provoquant l’interaction de cette matière exotique. Cela libère de l’énergie, réchauffant ces étoiles ratées et les transformant de naines brunes en étoiles noires. Et plus ces naines noires accumulent de matière noire, plus elles émettent d’énergie sur leur face cachée.
Si cette idée est correcte et que les naines noires habitent effectivement le centre de la Voie lactée et d’autres galaxies où la matière noire est la plus courante, cela donne aux scientifiques un indice fort quant aux particules hypothétiques non découvertes qui pourraient constituer cette mystérieuse forme de matière.
Illustration de deux naines brunes sur fond du nuage moléculaire de Persée. Robert Lee
Cela s’explique par le fait que seules certaines particules de matière noire interagissent entre elles et s’autodétruisent, libérant ainsi de l’énergie. L’exemple le plus frappant de telles particules auto-interagissantes est peut-être celui des particules massives faiblement interactives (WIMP).
«La matière noire interagit gravitationnellement, ce qui lui permet d’être capturée par les étoiles et de s’y accumuler», explique Jeremy Sackstein, membre de l’équipe de l’Université d’Hawaï. «Si cela se produit, elle peut également interagir avec elle-même et s’annihiler, libérant ainsi de l’énergie qui réchauffe l’étoile.»
Les naines brunes ont gagné le surnom malheureux d’«étoiles ratées» car, bien qu’elles se forment comme des étoiles à partir d’un nuage de gaz et de poussière en effondrement, elles ne parviennent pas à accumuler suffisamment de masse pour initier la réaction de fusion entre l’hydrogène et l’hélium dans leur noyau.
Ce processus alimente les étoiles de la séquence principale comme le Soleil. Les naines brunes brillent faiblement en raison de la fusion nucléaire qui s’y produit et de leur propre effondrement sous l’effet de leur propre gravité. Mais au centre des galaxies, ces étoiles ratées pourraient disposer d’une source d’énergie alternative.
«Les naines noires sont des objets de très faible masse, environ 8% de celle du Soleil», explique Sackstein. «Ces objets accumulent de la matière noire, ce qui les aide à devenir des naines noires.»
La matière noire interagit gravitationnellement, mais pas avec d’autres matières, ce qui lui permet de tomber au centre des galaxies sans rencontrer beaucoup de résistance. Cela signifie que le centre des galaxies est riche en matière noire et constitue donc l’endroit le plus propice à la découverte de naines noires.
«Plus il y a de matière noire autour de nous, plus on peut en capturer», a expliqué Sackstein. «Et plus une étoile contient de matière noire, plus elle produira d’énergie lors de son annihilation.»
La matière noire ne peut alimenter les naines noires qu’en interagissant avec elle-même. Même si ces interactions sont rares ou «faibles» (ce qui explique pourquoi nous ne les avons pas encore détectées), là où la matière noire est comprimée gravitationnellement, comme dans le noyau d’une naine brune, elles pourraient devenir fréquentes.
Illustration de la matière noire engloutissant une naine noire. Robert Lee
L’existence de naines noires pourrait donc exclure des candidats à la matière noire sans interaction, ainsi que des particules trop légères. Parmi celles-ci, on peut citer les axions, actuellement les principaux candidats à la matière noire.
«Pour que les naines noires existent, la matière noire doit être constituée de WIMP, ou de toute particule lourde qui interagit si fortement les unes avec les autres qu’elle produit de la matière visible», a déclaré Sackstein.
Bien sûr, tout cela ne serait que pure spéculation si l’équipe ne parvenait pas à trouver un moyen de détecter les naines noires et de les distinguer des naines brunes, qui n’utilisent pas de matière noire, ou des étoiles ordinaires.
Des chercheurs proposent un marqueur chimique spécifique qui pourrait être un signe révélateur de naines noires: l’isotope lithium-7, qui brûle facilement et est donc rapidement absorbé par les étoiles normales.
«Il y avait plusieurs marqueurs, mais nous avons proposé le lithium-7 car il produirait un effet vraiment unique», a expliqué Sackstein. «Ainsi, si l’on trouvait un objet ressemblant à une naine noire, on pourrait rechercher ce lithium, car il ne serait pas présent s’il s’agissait d’une naine brune ou d’un objet similaire.»
L’équipe estime que des télescopes puissants tels que le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA sont déjà capables de détecter des naines sombres, froides et peu lumineuses.
Sackstein soutient que si une naine noire était découverte au centre de la Voie lactée, cela constituerait une preuve «assez convaincante» que les WIMP sont des particules de matière noire.
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«Avec des candidats à la matière noire légers comme l’axion, je ne pense pas qu’on obtienne quelque chose qui ressemble à une naine noire. Elles ne s’accumulent pas à l’intérieur des étoiles», a déclaré le chercheur. «Si nous découvrons une naine noire, ce serait une preuve solide que la matière noire est lourde et interagit fortement avec elle-même, mais faiblement avec la matière «normale». Cela inclut les classes WIMP, mais aussi d’autres modèles plus exotiques.»
«L’observation d’une naine noire ne nous donne pas une conclusion définitive selon laquelle la matière noire est une WIMP, mais cela signifierait qu’il s’agit soit d’une WIMP, soit de quelque chose qui se comporte comme une WIMP à tous égards.»
La matière noire interagit-elle avec elle-même? La réponse pourrait résider dans de vastes amas de galaxies en collision.
La matière noire est connue pour être asociale : elle refuse d’interagir avec la lumière et la matière «normale», ce qui la rend pratiquement invisible. Mais les scientifiques ne savent pas avec certitude si la matière noire interagit avec elle-même.
Si les particules qui composent la matière noire interagissent entre elles, entrant en collision et peut-être même se détruisant, une nouvelle étude suggère que les amas de galaxies pourraient servir de collisionneurs naturels de matière noire. Cette méthode de détection de la matière noire reposerait sur la rencontre et la collision de deux vastes groupes de galaxies.
Ces amas de galaxies étant remplis de matière noire, les astronomes pourraient étudier ces sites de collisions cosmiques afin de détecter d’éventuels signes d’interaction de la matière noire avec elle-même. Les recherches de l’équipe ont été publiées en avril 2024 dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Les amas de galaxies sont également dominés par la matière noire», explique Jacqueline McCleary, professeure adjointe de physique à l’Université Northeastern. «De 80 à 90% de leur masse est constituée de matière noire, et plus l’objet est massif, plus les particules de matière noire qui le composent se déplacent rapidement. En résumé, nous étudions les collisions à très haute énergie.»
Cette absence d’interactions est l’une des raisons pour lesquelles la matière noire est si difficile à comprendre. Bien qu’elle constitue plus de 80% de l’univers matériel et qu’elle exerce une attraction gravitationnelle qui empêche littéralement les galaxies de s’entrechoquer, la matière noire est pratiquement invisible car elle n’interagit pas avec la lumière. De même, les particules de matière noire se glissent à travers les particules de matière tels des fantômes cosmiques.
L’illustration montre une galaxie empêtrée dans un réseau cosmique de matière noire invisible. Robert Lee
Ces propriétés antisociales ont conduit les scientifiques à comprendre que la matière noire ne pouvait être constituée d’atomes composés d’électrons, de protons et de neutrons interagissant avec la lumière et entre eux. C’est ainsi qu’a débuté la recherche de particules candidates à la matière noire.
«Tout dans l’univers est composé de particules, d’ondes et de champs. L’hypothèse de départ est donc que la matière noire doit être une particule», a déclaré McCleary. «La question est de savoir de quel type de particule il s’agit, car le concept de “particule” est très vague.»
Les particules candidates à ce type de particules vont des hypothétiques «particules massives à faible interaction» (WIMPS) aux «objets massifs compacts de halo» (MACHO), en passant par de minuscules particules presque sans masse appelées axions ou neutrinos stériles. Même les minuscules trous noirs, vestiges du Big Bang, appelés trous noirs primordiaux, sont considérés comme des candidats à la matière noire.
Le problème est que tous ces suspects sont indétectables et restent donc frustrants et hypothétiques.
La nature fantôme de la matière noire signifie que nous ne pouvons pas simplement charger des particules de matière noire dans un accélérateur de particules sur Terre, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC), pour les écraser ensemble et déterminer leur composition.
Ainsi, alors que le LHC a dévoilé certains secrets du soi-disant «modèle standard de la physique des particules» en divisant les protons et en observant les flux de particules qui en résultent, la matière noire qui se trouve au-delà de ce modèle semble être hors de portée de l’accélérateur de particules le plus puissant du monde.
La seule façon de déduire la présence de matière noire est d’examiner l’interaction dans laquelle elle semble être impliquée. La matière noire a une masse, et donc elle courbe l’espace-temps (l’unification quadridimensionnelle du temps et de l’espace), lui donnant une influence gravitationnelle.
Vue de l’amas de galaxies Abell 1689, montrant des galaxies violettes et des étoiles brillantes révélant de vastes quantités de matière noire. NASA
Cette influence peut contrôler le mouvement de la matière ordinaire et de la lumière, et nous pouvons la détecter. C’est grâce à cette approche indirecte que nous savons que les galaxies sont entourées de vastes halos de matière noire, et que cette matière existe également en grande quantité près du cœur des galaxies.
Les scientifiques suggèrent également que le regroupement des galaxies en vastes amas est dû à de puissants filaments de matière noire invisible qui se propagent dans l’univers telle une toile invisible tissée par une araignée cosmique. Cette toile cosmique contribue également à la croissance et à la masse des galaxies, car son attraction gravitationnelle exerce une attraction sur la matière ordinaire.
McCleary et ses collègues ont proposé d’abandonner l’accélérateur de particules artificiel au profit d’un accélérateur naturel. Ils estiment que si les amas de galaxies et la matière noire qu’ils contiennent entrent en collision avec une force suffisante, des interactions détectables de matière noire pourraient se produire – si la matière noire interagit réellement avec elle-même.
Ces interactions peuvent être simples, comme des particules de matière noire entrant en collision et rebondissant les unes sur les autres, ou bien elles peuvent entraîner une annihilation mutuelle et une libération d’énergie. Lorsque des particules et des antiparticules, comme un électron et son antiparticule appelée positon, se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement, libérant ainsi l’énergie qu’elles contiennent. Certains modèles de matière noire suggèrent qu’elle est sa propre antiparticule, ce qui signifie qu’une forme d’interaction pourrait être l’auto-annihilation, qui se produit lorsque deux particules de matière noire se rencontrent.
Pour tester cette idée, l’équipe a créé des simulations de collisions d’amas de galaxies sur des ordinateurs suffisamment puissants pour étudier les collisions jusqu’aux interactions des particules. Cela a nécessité de programmer les simulations à l’aide de modèles physiques d’interaction entre les étoiles, le gaz et la matière noire.
Grâce à cette simulation et à d’autres similaires, les scientifiques pourront établir une feuille de route pour l’observation de véritables collisions de particules de matière noire. À partir de là, les chercheurs pourront recueillir des indices qui les aideront à déterminer certaines des caractéristiques fondamentales qu’une particule de matière noire hypothétique devrait posséder. Cela pourrait réduire l’éventail des particules de matière noire possibles.
«Si l’on peut mesurer une certaine auto-interaction ou lui fixer une limite supérieure, on exclut ou on autorise des classes de particules qui pourraient être la matière noire», a déclaré McCleary. «Si l’on mesure une certaine auto-interaction, on introduit une classe différente de particules. On autorise une classe différente de théories.»
«Cet article suggère également que si vous étudiez un ensemble de, disons, 100 amas de galaxies en fusion, vous avez une chance de mesurer l’auto-interaction de la matière noire jusqu’à un certain seuil.»
«Cela semble paradoxal à première vue, car nous voulons toujours obtenir une réponse positive: «Qu’est-ce que c’est?» conclut McCleary. «Mais dans ce cas, nous sommes en quelque sorte obligés de nous demander: «Qu’est-ce que ce n’est pas?» C’est un processus d’élimination.»
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