De nouvelles recherches explorent la possibilité que la matière noire soit constituée de particules théoriques appelées axions, en se concentrant sur leur détection grâce à la lumière supplémentaire émise par les pulsars. Les observations préliminaires doivent encore confirmer les axions, mais la recherche est cruciale pour comprendre la matière noire.

La question centrale dans la recherche actuelle de la matière noire est la suivante : de quoi est faite la matière noire ? Une réponse possible est que la matière noire est constituée de particules appelées axions. Des recherches récentes menées par des astrophysiciens de l'Université d'Amsterdam et de l'Université de Princeton suggèrent que si la matière noire est effectivement constituée d'axions, elle pourrait se manifester sous la forme d'une faible lueur supplémentaire provenant d'étoiles pulsantes.

La matière noire est peut-être l’ingrédient le plus chaud de notre univers. Étonnamment, cette forme mystérieuse de matière, que les physiciens et les astronomes n’ont pas réussi à détecter jusqu’à présent, semble constituer une grande partie de la matière de l’univers. Pas moins de 85 % de la matière présente dans l'univers est soupçonnée d'être de la « matière noire », qui ne peut actuellement être détectée que grâce à l'attraction gravitationnelle qu'elle exerce sur d'autres objets astronomiques. Les scientifiques en veulent naturellement plus. Ils veulent réellement voir la matière noire – ou au moins détecter sa présence directement, plutôt que de simplement la déduire des effets gravitationnels. Bien sûr, ils veulent aussi savoir ce qu’est la matière noire.

Résoudre deux problèmes

Une chose est claire : la matière noire ne peut pas être la même matière dont vous et moi sommes faits. Si tel était le cas, la matière noire se comporterait comme la matière ordinaire : elle formerait des objets comme des étoiles, brillerait et ne serait plus « sombre ». Les scientifiques recherchent donc quelque chose de nouveau : une particule encore à détecter qui n’interagit probablement que très faiblement avec les types de particules que nous connaissons, ce qui explique pourquoi cette composante de notre monde est restée insaisissable jusqu’à présent.

Nous avons de nombreux indices à rechercher. Une hypothèse populaire est que la matière noire pourrait être constituée d’axions. Ce type de particule hypothétique est apparu pour la première fois dans les années 1970 pour résoudre un problème sans rapport avec la matière noire. En tant qu’élément constitutif des atomes ordinaires, la séparation des charges positives et négatives au sein du neutron est étonnamment faible. Les scientifiques veulent certainement savoir pourquoi. Il s’avère qu’une particule jusqu’alors inconnue interagit très faiblement avec un composant du neutron pour produire exactement cet effet. Frank Wilczek, plus tard lauréat du prix Nobel, a donné un nom à la nouvelle particule : l'axion - non seulement similaire en nom à d'autres particules telles que les protons, les neutrons, les électrons et les photons, mais également inspiré d'une lessive en poudre du même nom. Des axions ont émergé pour résoudre un problème.

En fait, même s’il n’a jamais été détecté, il pourrait résoudre deux problèmes. Plusieurs théories fondamentales des particules, notamment la théorie des cordes (l’une des principales théories susceptibles d’unifier toutes les forces de la nature), semblent prédire l’existence possible de particules de type axion. Si les axions existent, pourraient-ils également constituer une partie, voire la totalité, de la matière noire manquante ? Peut-être que oui, mais une autre question qui tourmente toutes les recherches sur la matière noire s'applique également aux axions : si oui, comment pouvons-nous les voir ? Comment rendre visibles les choses « sombres » ?

Matière noire éclairante

Heureusement pour les axions, il semble y avoir un moyen de contourner cette énigme. Si les théories prédisant les axions sont correctes, non seulement ils devraient être produits en grand nombre dans l’univers, mais certains axions pourraient également être convertis en lumière sous l’influence de champs électromagnétiques puissants. Une fois qu’il y a de la lumière, nous pouvons voir. Serait-ce la clé pour détecter les axions – et donc la matière noire ?

Pour répondre à cette question, les scientifiques doivent d’abord se demander : où se produisent les champs électriques et magnétiques connus les plus puissants dans l’univers ? La réponse : dans la région autour d’une étoile à neutrons en rotation, également connue sous le nom de pulsar. Ces pulsars – abréviation de « pulsar » – sont des objets compacts ayant à peu près la même masse que le Soleil mais avec un rayon environ 100 000 fois plus petit, soit environ 10 kilomètres seulement. Les pulsars sont si petits mais tournent à des fréquences extrêmement élevées, émettant des faisceaux radio brillants et étroits le long de leur axe de rotation. Le faisceau du pulsar agit comme un phare et peut balayer la Terre, ce qui facilite son observation.

Cependant, la rotation massive du pulsar ne se résume pas à autre chose. Il transforme l’étoile à neutrons en un électro-aimant extrêmement puissant. Cela pourrait signifier que les pulsars sont des usines d’axions très efficaces. Un pulsar ordinaire peut produire 50 chiffres d’axions par seconde. En raison des forts champs électromagnétiques entourant le pulsar, certains de ces axions peuvent être convertis en lumière observable. Autrement dit : si les axions existaient – ​​mais maintenant ce mécanisme peut être utilisé pour répondre à cette question. Regardez simplement les pulsars pour voir s’ils émettent une lumière supplémentaire et, si c’est le cas, déterminez si cette lumière supplémentaire peut provenir d’axions.

Simulez une lueur subtile

Dans le domaine scientifique, il n’est certainement pas si simple de faire une telle observation. La lumière émise par les axions peut être détectée sous forme d'ondes radio - ce n'est qu'une petite fraction de la lumière totale que ces balises cosmiques lumineuses nous envoient. Nous aurions besoin de savoir très précisément à quoi ressemblent un pulsar sans axions et un pulsar avec axions pour pouvoir voir la différence – et encore moins quantifier la différence et la traduire en mesure de la quantité de matière noire.

C'est exactement ce qu'une équipe de physiciens et d'astronomes a réalisé. En travaillant ensemble aux Pays-Bas, au Portugal et aux États-Unis, l'équipe de recherche a construit un cadre théorique complet qui fournit une compréhension détaillée de la façon dont les axions sont créés, comment ils échappent à la gravité d'une étoile à neutrons et comment ils sont convertis en rayonnement radio de faible énergie au cours du processus d'évasion.

Ces résultats théoriques ont ensuite été transférés sur un ordinateur pour simuler la production d’axions autour des pulsars à l’aide de simulations numériques de plasma de pointe, initialement développées pour comprendre la physique derrière la façon dont les pulsars émettent des ondes radio. Une fois générée virtuellement, la propagation des axions dans le champ électromagnétique de l’étoile à neutrons est simulée. Cela a permis aux chercheurs de comprendre quantitativement la production ultérieure d’ondes radio et de modéliser comment ce processus fournit des signaux radio supplémentaires en plus des émissions inhérentes produites par le pulsar lui-même.

Tester le modèle axial

Les résultats de la théorie et des simulations ont ensuite été soumis au premier test d’observation. À l’aide d’observations de 27 pulsars proches, les chercheurs ont comparé les ondes radio observées à des modèles pour déterminer si un excès mesuré pourrait fournir des preuves de la présence d’axions. Malheureusement, la réponse est « non » – ou, de façon plus optimiste, « pas encore ». Les Axions ne nous sont pas apparus immédiatement, mais ce n'est peut-être pas ce à quoi nous nous attendions. Si la matière noire révélait si facilement ses secrets, elle aurait été observée depuis longtemps.

Nous ne pouvons donc plus qu’espérer trouver des axions dans les observations futures. Dans le même temps, le fait qu’aucun signal radio provenant des axions n’ait été observé jusqu’à présent est un résultat intéressant en soi. La première comparaison entre pulsars simulés et réels fixe les limites les plus strictes à ce jour sur l'interaction des axions avec la lumière.

Bien entendu, notre objectif ultime n’est pas seulement de fixer des limites, mais de prouver que les axions existent, ou de garantir que les axions ne peuvent pas du tout être un composant de la matière noire. Les nouveaux résultats ne sont qu’un premier pas dans cette direction ; ils ne sont que le début d’un nouveau domaine hautement interdisciplinaire susceptible de faire progresser de manière significative l’étude des axions.

Références "Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu, Samuel J. Witte, Alexander Y.C hen), Fábio Cruz et Christoph Weniger, "Nouvelles contraintes sur les axions produits dans les cascades de la calotte polaire des pulsars", 15 septembre 2023, "Physical Review Letters".

DOI:10.1103/PhysRevLett.131.111004

Source compilée : ScitechDaily