Théories de la matière noire exotique. Si vous êtes un fan de toutes les choses les plus géniales de l'univers, cet article est pour vous.
La plupart des contenus de notre univers ont une forme totalement inconnue de la physique. C’est juste un fait brut auquel nous allons tous devoir nous habituer. Si vous êtes tenté de penser que c'est juste une sorte decosmologique problème, un problème qui ne se pose que sur les très grandes échelles, eh bien j'ai de mauvaises nouvelles pour vous. L'une de ces mystérieuses composantes du cosmos est - pour autant que nous le sachions - une forme de matière.
Mais pas n'importe quelle forme de matière, sinon nous l'aurions déjà vue. Non, nous pensons que c'est une sorte desombre matière; matière qui n'interagit tout simplement pas avec la lumière. Aucune émission. Pas d'absorption. Pas de diffusion. Rien. Et le fait que la matière noire existe ne devrait pas êtrecette surprenant, non? Après tout, qui a dicté que tout dans l'universdoit interagir avec la lumière?
Personne ne l'a fait, et nous voici donc. Si vous regardez une galaxie aléatoire, les objets qui s'éclairent - étoiles, nébuleuses, etc. - ne représentent qu'une petite fraction de la masse totale de cette galaxie. Le rapport exact entre la matière «normale» et la matière sombre dépend de nombreux facteurs, comme l’histoire de la formation de la galaxie. Mais en général, plus la galaxie est petite, plus elle est dominée par la matière noire.
Les plus petites galaxies, connues sous le nom de galaxies naines, pourraient fournir un laboratoire pratique pour étudier la matière noire. Dans ces galaxies, la matière noire est libre de faire ce que la matière noire fait sans aucune de ces matières gênantes d'interaction avec la lumière pour vraiment compliquer les choses. Si la matière noire fait quelque chose d'étrange (enfin, plus étrange que simplement existant), comme interagir avec elle-même via la faible force nucléaire, ou être composée de plusieurs types de particules exotiques, alors tous les effets se feront plus prononcés dans une galaxie naine que quelque chose comme la voie Lactée.
Tout cela est formidable et bon, à l'exception de la petite mise en garde selon laquelle bien que toutes ces physiques intéressantes se déroulent sous le capot, il est difficile pour nous de le voir. Parce qu'il fait sombre.
Une des nombreuses choses que nous ne comprenons pas sur la matière noire est la façon dont elle se comporte dans les noyaux des galaxies. Des simulations simples de l'évolution des galaxies prédisent quelque chose appelé une «cuspide» - un écrou dur d'une densité incroyablement élevée assis dans le centre autrement crémeux d'une galaxie. Mais les observations ne le démontrent pas: il devrait y avoir beaucoup d'étoiles suivant l'influence gravitationnelle de toute cette matière noire. Et il y a certainement beaucoup d'étoiles au centre d'une galaxie, mais pascette beaucoup.
Quelque chose doit lisser la matière noire centrale. Il pourrait s'agir d'interactions exotiques dans la matière noire elle-même. Il pourrait s'agir de causes plus banales comme des vents de supernovae soufflant le gaz. Ce pourrait être les deux, ou aucun.
Les astronomes sont très, très intéressés par les noyaux des galaxies, et en particulier les galaxies naines, car c'est là qu'ils peuvent potentiellement en apprendre beaucoup sur la matière noire. Et malgré leur physique compliquée et désordonnée, nous avons toujours besoin d'étoiles et de gaz pour observer, sonder et étudier les galaxies naines, en espérant que nous pouvons suivre le comportement de la matière noire sous-jacente. Mais les galaxies naines sont loin, sombres et petites - et leurs noyaux encore plus.
Comment pourrions-nous jeter un œil à l'intérieur d'eux?
Heureusement, les galaxies ont plus que des citoyens stellaires. Ils ont également des trous noirs. Des géants supermassifs dans leurs noyaux et des millions de plus petits flottant en eux. Et le fait que les trous noirs géants tendent à se rassembler dans les noyaux de leurs galaxies hôtes pourrait être utile. Alors peut-être - travaillez avec moi ici - si nous pouvions en quelque sorte étudier le comportement des trous noirs à l'intérieur des galaxies naines, nous pourrions obtenir des indices sur la nature de la matière noire.
Mais les trous noirs sont également noirs et difficiles à voir. Et petit. Et loin. Heureusement, nous n'avons pas à voir les trous noirs - nous pouvons les entendre.
Lorsque les trous noirs entrent en collision, ils tremblent et déforment tellement le tissu de l'espace-temps qu'ils provoquent des vagues, comme des ondulations se propageant à partir d'une pierre lourde tombée dans l'eau. Ces ondes de gravité se sont répandues dans l'espace à la vitesse de la lumière, étirant et pressant toujours très légèrement toute matière intermédiaire au fur et à mesure de leur passage. En fait, pendant que vous lisez ceci, votre corps est tiré et pressé comme un morceau de mastic des innombrables ondes gravitationnelles traversant la Terre.
Ces ondes de gravité sont incroyablement difficiles à détecter, c'est pourquoi les premières personnes à les mesurer ont reçu des prix Nobel pour leurs efforts de plusieurs décennies à utiliser des faisceaux de lumière interférents pour capturer le signal subtil.
Mais nos trois observatoires des ondes gravitationnelles à la surface de la Terre ne peuvent pas nous aider avec notre problème de trou noir à l'intérieur de la galaxie naine pour étudier la matière noire. Ces trous noirs - appeléstrous noirs de masse intermédiaire - sont trop petits pour émettre un signal détectable ici dans la Voie lactée lorsqu'ils fusionnent.
Mais un observatoire des ondes gravitationnelles dans l'espace le pourrait. La mission LISA proposée (qui signifie, comme vous l'avez deviné, antenne spatiale à interféromètre laser) pourrait avoir la bonne sensibilité pour voir le signal de la fusion de trous noirs de taille moyenne, tout comme ceux trouvés dans le cœur des galaxies naines.
Et selon un nouvel article récemment accepté par l'Astrophysical Journal Letters dirigé par Tomas Tomfal de l'Université de Zurich, différents modèles de matière noire (et ses interactions possibles avec le type normal de matière aimant la lumière) peuvent influencer la fréquence et la rapidité les trous noirs des galaxies naines fusionnent, ce que LISA peut éventuellement séparer.
C'est un chemin détourné vers la compréhension de la matière noire, mais dans un problème aussi vexant que celui-ci, il est prometteur.
Lire la suite: «Formation des binaires LISA Black Hole dans la fusion des galaxies naines: l'empreinte de la matière noire»
