La matière noire, composée de particules qui ne réfléchissent pas, n’émettent pas ou n’absorbent pas la lumière, devrait constituer la majeure partie de la matière de l’univers. Son manque d’interactions avec la lumière empêche cependant sa détection directe par les méthodes expérimentales conventionnelles.
Les physiciens tentent depuis des décennies de concevoir des méthodes alternatives pour détecter et étudier la matière noire, mais de nombreuses questions sur sa nature et sa présence dans notre galaxie restent sans réponse. Les expériences Pulsar Timing Array (PTA) ont tenté de sonder la présence de particules dites ultralégères de matière noire en examinant le timing d’un ensemble de pulsars radio galactiques d’une milliseconde (c’est-à-dire des objets célestes qui émettent des impulsions radio régulières d’une milliseconde).
L’European Pulsar Timing Array, une équipe multinationale de chercheurs basés dans différents instituts qui utilise 6 radiotélescopes à travers l’Europe pour observer des pulsars spécifiques, a récemment analysé la deuxième vague de données collectées. Leur papierPublié dans Lettres d’examen physiqueimpose des contraintes plus strictes sur la présence de matière noire ultralégère dans la Voie lactée.
« Cet article était essentiellement le résultat de mon premier projet de doctorat », a déclaré Clemente Smarra, co-auteur de l’article, à Phys.org. « L’idée est née lorsque j’ai demandé à mon superviseur si je pouvais mener des recherches axées sur la science des ondes gravitationnelles, mais du point de vue de la physique des particules. L’objectif principal du projet était de limiter la présence de la matière noire dite ultralégère dans notre galaxie. « .
La matière noire ultralégère est un candidat hypothétique à la matière noire, composée de particules très légères qui pourraient potentiellement résoudre des mystères de longue date dans le domaine de l’astrophysique. La récente étude de Smarra et de ses collègues visait à sonder la présence possible de ce type de matière noire dans notre galaxie, via les données collectées par le Pulsar Timing Array européen.
« Nous nous sommes inspirés des efforts antérieurs dans ce domaine, notamment le travail de Porayko et de ses collaborateurs« , a déclaré Smarra. « Grâce à la durée plus longue et à la précision améliorée de notre ensemble de données, nous avons pu imposer des contraintes plus strictes sur la présence de matière noire ultralégère dans la Voie lactée. »
L’article récent du European Pulsar Timing Array émet des hypothèses différentes de celles formulées par d’autres études réalisées dans le passé. Au lieu de sonder les interactions entre la matière noire et la matière ordinaire, il suppose que ces interactions se produisent uniquement via des effets gravitationnels.
« Nous avons supposé que la matière noire interagissait avec la matière ordinaire uniquement par interaction gravitationnelle », a expliqué Smarra. « C’est une affirmation plutôt solide : en fait, la seule chose sûre que nous savons à propos de la matière noire, c’est qu’elle interagit gravitationnellement. En quelques mots, la matière noire produit des puits potentiels dans lesquels voyagent les faisceaux radio des pulsars. Mais la profondeur de ces puits est périodique dans le temps, donc le temps de trajet des faisceaux radio des pulsars vers la Terre change également avec une périodicité distincte.
En recherchant cet effet particulier dans la deuxième vague de données publiées par le Pulsar Timing Array européen, Smarra et ses collègues ont pu établir de nouvelles contraintes sur la présence de matière noire ultralégère autour des pulsars. Le réseau européen Pulsar Timing Array collecte ces données depuis près de 25 ans, à l’aide de 6 radiotélescopes sophistiqués situés dans différents endroits d’Europe.
« Sur la base de nos analyses, nous pouvons exclure que des particules ultralégères dans une gamme spécifique de masses puissent constituer la totalité de la matière noire », a déclaré Smarra. « Par conséquent, s’ils étaient là, nous aurions encore besoin de quelque chose d’autre pour expliquer ce que nous voyons. Et ce résultat est plutôt robuste, car nous nous sommes concentrés sur l’interaction gravitationnelle de la matière noire, qui est la seule chose dont nous sommes sûrs. »
Les travaux récents du Pulsar Timing Array européen montrent que les particules ultralégères avec des masses de 10−24,0 eV≲m≲10−23,3 eV ne peuvent pas constituer 100 % de la densité locale de matière noire mesurée et peuvent avoir au plus une densité locale de ρ≲0,3. GeV/cm3. Ces nouvelles contraintes pourraient guider de nouvelles recherches dans ce domaine, éclairant potentiellement les recherches futures sur ce candidat insaisissable à la matière noire.
« Je prévois actuellement d’explorer si les pulsars ont des signatures qui pourraient nous en dire plus sur la matière noire », a ajouté Smarra. « De plus, je m’intéresse généralement à la science PTA ; c’est pourquoi j’aimerais également travailler sur la modélisation astrophysique des systèmes binaires de trous noirs supermassifs, qui sont considérés comme une explication convaincante du fond d’ondes gravitationnelles stochastiques que nous avons récemment observé. »
Plus d’information:
Clemente Smarra et al, Deuxième publication de données du réseau européen de synchronisation Pulsar : défier le paradigme de la matière noire ultralégère, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.171001
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