(Crédit image : NASA)
La matière noire est souvent décrite comme étant très discrète, car elle refuse d’interagir avec la lumière et la matière « normale », ce qui la rend pratiquement invisible. Cependant, une question demeure : la matière noire interagit-elle avec elle-même ?
Si les particules qui composent la matière noire s’auto-interagissent en se heurtant, et potentiellement en s’annihilant, des recherches récentes suggèrent que les amas de galaxies pourraient servir de colliders naturels pour la matière noire. Cette méthode de détection de la matière noire reposerait sur la collision de deux de ces vastes regroupements de galaxies.
Étant donné que ces amas de galaxies sont riches en matière noire, les astronomes pourraient analyser ces sites de collision cosmiques pour déceler d’éventuels signes d’interaction entre particules de matière noire.
Bien qu’une telle découverte ne nous indiquerait pas précisément quelles particules composent la matière noire, elle permettrait d’éliminer certains modèles de matière noire qui n’envisagent pas l’auto-interaction, rapprochant ainsi les chercheurs d’un candidat potentiel pour la matière noire.
« Les amas de galaxies sont également dominés par la matière noire, » a déclaré Jacqueline McCleary, professeure adjointe de physique à l’Université Northeastern. « Entre 80 et 90 % de leur masse est constituée de matière noire, et plus un objet est massif, plus les particules de matière noire qui le composent se déplacent rapidement. Vous étudiez essentiellement des collisions à très haute énergie. »
Les particules de matière noire sont-elles des ‘fantômes cosmiques’ antisociaux ?
Le manque d’interactions est l’un des aspects qui rend la matière noire si difficile à comprendre. Bien qu’elle représente plus de 80 % de l’univers matériel et exerce une influence gravitationnelle qui empêche les galaxies de se désintégrer, la matière noire reste invisible car elle n’interagit pas avec la lumière. De même, les particules de matière noire traversent les particules de matière comme des fantômes cosmiques.
Ces propriétés antisociales ont conduit les scientifiques à conclure que la matière noire ne peut pas être constituée d’atomes formés d’électrons, de protons et de neutrons, qui, eux, interagissent avec la lumière et entre eux. Cela a déclenché la recherche d’une particule candidate viable pour la matière noire.
« Tout dans l’univers est à la fois une particule, une onde et un champ, donc l’hypothèse de base est que la matière noire doit être une particule, » a déclaré McCleary. « La question est : quel type de particule, car le terme ‘particule’ est très vague. »
Les particules candidates vont des « Particules Massives Faiblement Interagissantes » (WIMPS) aux « Objets Halo Massifs Compacts » (MACHOs), en passant par de minuscules particules presque sans masse appelées axions ou neutrinos stériles. Même de petits trous noirs issus du Big Bang, appelés trous noirs primordiaux, ont été envisagés comme candidats à la matière noire.
Le problème est que tous ces suspects ont échappé à la détection et demeurent donc frustrants et hypothétiques.
(Crédit image : Robert Lea (créé avec Canva))
La nature fantomatique 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 faire entrer en collision et déterminer leur composition.
Bien que le LHC ait révélé certains des secrets du soi-disant « modèle standard de la physique des particules » en brisant des protons et en observant les gerbes de particules qui en résultent, la matière noire, qui se situe au-delà de ce modèle, semble être hors de portée du plus puissant accélérateur de particules au monde.
La seule façon d’inférer la présence de la matière noire est à travers l’une des interactions qu’elle semble engager. La matière noire a une masse, et par conséquent, elle déforme l’espace-temps (une unification à quatre dimensions du temps et de l’espace), ce qui lui confère une influence gravitationnelle.
Cette influence peut indiquer à la matière ordinaire et à la lumière comment se déplacer, et nous pouvons la détecter. C’est par cette approche indirecte que nous savons que les galaxies sont entourées de vastes halos de matière noire, et que la matière noire existe également en quantités considérables près des noyaux des galaxies.
Les scientifiques théorisent également que lorsque les galaxies se regroupent en vastes amas, cela résulte de filaments invisibles de matière noire qui s’étendent à travers l’univers, semblables à une toile d’araignée cosmique. Cette toile cosmique aide également les galaxies individuelles à accumuler de la masse et à croître, car son influence gravitationnelle attire la matière ordinaire.
(Crédit image : Robert Lea (créé avec Canva))
McCleary et ses collègues ont proposé de renoncer à un accélérateur de particules fabriqué par l’homme au profit d’un accélérateur naturel. Ils estiment que si les amas de galaxies et la matière noire qui les accompagne entrent en collision avec suffisamment de force, des interactions détectables de matière noire pourraient se produire, si tant est que la matière noire interagisse avec elle-même.
Ces interactions pourraient être aussi simples que des particules de matière noire se heurtant et rebondissant les unes contre les autres, ou elles pourraient entraîner une annihilation mutuelle et une libération d’énergie. Lorsque des particules et des antiparticules, par exemple un électron et son antiparticule, le positron, se rencontrent, elles s’annihilent et l’énergie qu’elles contiennent est libérée. Certains modèles de matière noire suggèrent qu’elle est son propre antiparticule, ce qui signifie qu’une forme d’interaction pourrait être l’auto-annihilation causée par la rencontre de deux particules de matière noire.
Pour tester cette hypothèse, l’équipe a créé des simulations de collisions d’amas de galaxies sur des ordinateurs suffisamment puissants pour examiner les collisions jusqu’aux interactions entre particules. Cela a nécessité de programmer la simulation avec des modèles physiques d’interactions entre étoiles, gaz et matière noire.
En utilisant cette simulation et d’autres similaires, les scientifiques pourraient établir une feuille de route pour observer de réelles collisions de matière noire. À partir de là, les chercheurs pourraient recueillir des indices qui les aideraient à déterminer certaines des caractéristiques de base qu’une hypothétique particule de matière noire devrait posséder. Cela pourrait réduire le nombre de suspects en matière noire.
« Si vous pouvez mesurer une certaine auto-interaction, ou si vous pouvez établir une limite supérieure, vous éliminez ou confirmez des classes de particules qui pourraient constituer la matière noire, » a déclaré McCleary. « Si vous mesurez une auto-interaction, vous introduisez alors une autre classe de particules. Vous permettez une autre classe de théories. »
« Ce que cet article dit également, c’est que si vous étudiez un ensemble de, disons, 100 amas de galaxies qui fusionnent, vous avez une chance de mesurer l’auto-interaction de la matière noire jusqu’à un certain seuil. »
« Cela semble contre-intuitif au départ, car nous voulons toujours une réponse positive : Qu’est-ce que c’est ? » a conclu McCleary. « Mais dans ce cas, nous sommes un peu contraints de dire, Qu’est-ce que ce n’est pas ? C’est un processus d’élimination. »
Les recherches de l’équipe ont été publiées en avril dans le journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
