Les pulsars pourraient faire briller la matière noire

La question centrale dans la quête actuelle de la matière noire est la suivante : de quoi est-elle composée ? Une réponse possible est que la matière noire est constituée de particules appelées axions. Une équipe d’astrophysiciens, dirigée par des chercheurs des universités d’Amsterdam et de Princeton, vient de montrer que si la matière noire est constituée d’axions, elle peut se révéler sous la forme d’une subtile lueur supplémentaire provenant d’étoiles pulsantes. Leur travail est publié dans la revue Lettres d’examen physique.

La matière noire est peut-être le constituant le plus recherché de notre univers. Étonnamment, cette forme mystérieuse de matière, que les physiciens et les astronomes n’ont pas pu détecter jusqu’à présent, est supposée constituer une énorme partie de ce qui existe.

Pas moins de 85 % de la matière de l’univers est soupçonnée d’être « sombre », ce qui n’est actuellement perceptible qu’à travers l’attraction gravitationnelle qu’elle exerce sur d’autres objets astronomiques. Naturellement, les scientifiques en veulent plus. Ils veulent vraiment voir la matière noire – ou à tout le moins détecter sa présence directement, et pas seulement la déduire des effets gravitationnels. Et bien sûr : ils veulent savoir ce que c’est.

Nettoyer deux problèmes

Une chose est claire : la matière noire ne peut pas être le même type de matière dont vous et moi sommes constitués. Si tel devait être le cas, la matière noire se comporterait simplement comme la matière ordinaire : elle formerait des objets comme des étoiles, s’éclairerait et ne serait plus « sombre ». Les scientifiques recherchent donc quelque chose de nouveau, un type de particule que personne n’a encore détecté, et qui n’interagit probablement que très faiblement avec les types de particules que nous connaissons, expliquant pourquoi cet élément constitutif de notre monde est jusqu’à présent resté insaisissable.

Il existe de nombreux indices pour savoir où chercher. Une hypothèse populaire est que la matière noire pourrait être constituée d’axions. Ce type hypothétique de particule a été introduit pour la première fois dans les années 1970 pour résoudre un problème qui n’avait rien à voir avec la matière noire. La séparation des charges positives et négatives à l’intérieur du neutron, l’un des éléments constitutifs des atomes ordinaires, s’est avérée étonnamment petite. Les scientifiques voulaient bien sûr savoir pourquoi.

Il s’est avéré que la présence d’un type de particule jusqu’alors indétectable, interagissant très faiblement avec les constituants du neutron, pourrait précisément provoquer un tel effet. Le futur lauréat du prix Nobel, Frank Wilczek, a trouvé un nom pour la nouvelle particule : axion, non seulement similaire à d’autres noms de particules comme proton, neutron, électron et photon, mais également inspiré d’un détergent à lessive du même nom. L’axion était là pour régler un problème.

En fait, même s’il n’a jamais été détecté, il pourrait en nettoyer deux. Plusieurs théories sur les particules élémentaires, notamment la théorie des cordes, l’une des principales théories candidates pour unifier toutes les forces de la nature, semblaient prédire que des particules de type axion pourraient exister. Si les axions existaient effectivement, pourraient-ils également constituer une partie, voire la totalité, de la matière noire manquante ? Peut-être, mais une question supplémentaire qui hantait toutes les recherches sur la matière noire était tout aussi valable pour les axions : si oui, comment pouvons-nous les voir ? Comment rendre visible quelque chose de « sombre » ?

Mettre en lumière la matière noire

Heureusement, il semble que pour les axions, il existe un moyen de sortir de cette énigme. Si les théories qui prédisent les axions sont correctes, ils devraient non seulement être produits en masse dans l’univers, mais certains axions pourraient également être convertis en lumière en présence 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 ont d’abord dû se demander où se trouvent dans l’univers les champs électriques et magnétiques connus les plus puissants. La réponse est : dans les régions entourant les étoiles à neutrons en rotation, également appelées pulsars. Ces pulsars – abréviation de « étoiles pulsantes » – sont des objets denses, avec une masse à peu près la même que celle de notre soleil, mais un rayon environ 100 000 fois plus petit, soit environ 10 km seulement. Étant si petits, les pulsars tournent à des fréquences énormes, émettant des faisceaux lumineux et étroits d’émission radio le long de leur axe de rotation. Semblables à un phare, les faisceaux du pulsar peuvent balayer la Terre, rendant l’étoile pulsante facilement observable.

Cependant, l’énorme rotation du pulsar fait bien plus. Il transforme l’étoile à neutrons en un électro-aimant extrêmement puissant. Cela pourrait signifier que les pulsars sont des usines à axions très efficaces. Chaque seconde, un pulsar moyen serait capable de produire un nombre d’axions à 50 chiffres. En raison du fort champ électromagnétique autour du pulsar, une fraction de ces axions pourrait se convertir en lumière observable. Autrement dit : si les axions existent, mais le mécanisme peut désormais être utilisé pour répondre précisément à cette question. Regardez simplement les pulsars, voyez s’ils émettent une lumière supplémentaire et, si c’est le cas, déterminez si cette lumière supplémentaire pourrait provenir d’axions.

Simuler une lueur subtile

Comme toujours en science, réaliser une telle observation n’est bien sûr pas si simple. La lumière émise par les axions – détectable sous forme d’ondes radio – ne représenterait qu’une petite fraction de la lumière totale que ces brillants phares cosmiques nous envoient. Il faut savoir très précisément à quoi ressemblerait un pulsar sans axions, et à quoi ressemblerait un pulsar avec axions, pour pouvoir voir la différence – et encore moins quantifier cette différence et la transformer en une mesure d’une quantité d’obscurité. matière.

C’est exactement ce qu’a fait une équipe de physiciens et d’astronomes. Dans le cadre d’un effort de collaboration entre les Pays-Bas, le Portugal et les États-Unis, l’équipe a construit un cadre théorique complet qui permet de comprendre en détail comment les axions sont produits, comment les axions échappent à l’attraction gravitationnelle de l’étoile à neutrons et comment, lors de leur évasion , ils se transforment en rayonnement radio de faible énergie.

Les résultats théoriques ont ensuite été transférés sur un ordinateur pour modéliser 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 virtuellement réalisée, la propagation des axions à travers les champs électromagnétiques de l’étoile à neutrons a été simulée. Cela a permis aux chercheurs de comprendre quantitativement la production ultérieure d’ondes radio et de modéliser comment ce processus fournirait un signal radio supplémentaire en plus de l’émission intrinsèque générée par le pulsar lui-même.

Mettre les modèles d’axions à l’épreuve

Les résultats de la théorie et de la simulation ont ensuite été soumis à un premier test observationnel. À l’aide des observations de 27 pulsars proches, les chercheurs ont comparé les ondes radio observées aux modèles, pour voir si un excès mesuré pourrait fournir la preuve de l’existence d’axions. Malheureusement, la réponse a été « non » – ou peut-être, de manière plus optimiste : « pas encore ». Les axions ne nous sautent pas immédiatement aux yeux, mais il ne fallait peut-être pas s’y attendre. Si la matière noire livrait aussi facilement ses secrets, elle aurait déjà été observée il y a longtemps.

L’espoir d’une détection irréfutable des axions repose donc désormais sur de futures observations. Parallèlement, la non-observation actuelle des signaux radio émis par les axions est un résultat intéressant en soi. La première comparaison entre les simulations et les pulsars réels a posé à ce jour les limites les plus fortes à l’interaction que les axions peuvent avoir avec la lumière.

Bien entendu, le but ultime est de faire plus que simplement fixer des limites : il s’agit soit de montrer que les axions existent, soit de s’assurer qu’il est extrêmement improbable que les axions soient un constituant de la matière noire. Les nouveaux résultats ne sont qu’un premier pas dans cette direction ; ils ne sont que le début de ce qui pourrait devenir un domaine entièrement nouveau et hautement interdisciplinaire, susceptible de faire progresser considérablement la recherche des axions.