La matière noire, cette substance mystérieuse qui compose environ 85 % de la masse de l’Univers, intrigue les scientifiques depuis des décennies. Bien que nous ne puissions pas l’observer directement, ses effets gravitationnels sont visibles à grande échelle, influençant la rotation des galaxies et la formation des structures cosmiques. Mais qu’est-ce que cette matière invisible ? Une équipe de physiciens des universités d’Amsterdam, Princeton et Oxford pense que la réponse pourrait se trouver dans des particules insaisissables appelées axions qui pourraient être observées grâce à des étoiles à neutrons, ces objets stellaires ultra-denses et puissants.
Qu’est-ce que la matière noire ?
La matière noire est une forme de matière qui n’émet ni lumière ni aucune autre forme de rayonnement détectable. Pourtant, son existence a été déduite en observant les effets gravitationnels qu’elle exerce sur la matière visible. Par exemple, les galaxies tournent à une vitesse qui ne peut pas être expliquée par la quantité de matière que nous pouvons voir. Cette vitesse suggère qu’une grande partie de leur masse est invisible et non détectée par nos instruments : c’est ce qu’on appelle la matière noire.
Bien que son existence soit largement acceptée, la composition exacte de la matière noire reste un mystère. Il existe plusieurs théories sur ce qu’elle pourrait être et l’une des idées les plus prometteuses concerne les axions, une particule théorique proposée pour la première fois dans les années 1970.
Des particules hypothétiques
Les axions ont été théorisés pour résoudre un problème spécifique lié au comportement des neutrons, une particule bien connue du modèle standard de la physique. Leur nom, inspiré d’une marque de savon, reflète l’idée qu’ils pourraient nettoyer un problème de symétrie en physique. Néanmoins, au fil du temps, ces petites particules se sont révélées encore plus intéressantes pour une autre raison : elles sont devenues des candidates majeures pour expliquer la matière noire.
Le défi majeur avec les axions, c’est qu’ils seraient extrêmement légers et interagiraient très faiblement avec la matière ordinaire. Cela rend leur détection extrêmement difficile. Jusqu’à présent, personne n’a encore réussi à les observer directement, malgré de nombreuses expériences en laboratoire. Cependant, les scientifiques continuent d’explorer de nouvelles méthodes pour les détecter.
Les étoiles à neutrons comme alliées dans cette quête
C’est ici que les étoiles à neutrons entrent en jeu. Ces objets, fruits de la mort d’étoiles massives, figurent parmi les plus denses de l’Univers. Ces astres sont en effet si compacts qu’ils concentrent la masse du Soleil dans une sphère de seulement douze à quinze kilomètres de diamètre. Cette densité incroyable crée alors un environnement aux champs magnétiques extrêmement puissants, des milliards de fois plus intenses que ceux trouvés sur Terre, ce qui nous ramène à cette étude.
Les scientifiques pensent en effet que ces champs magnétiques pourraient faciliter la production d’axions en masse autour des étoiles à neutrons. Des études antérieures se sont déjà penchées sur l’idée qu’une fois produits, ces axions pourraient s’échapper dans l’espace. Dans le cadre de ces nouveaux travaux, des chercheurs ont exploré une autre piste : ces particules pourraient être capturées par la gravité immense de l’étoile à neutrons, formant un nuage dense autour d’elle.

Des signaux potentiellement observables
Ce nuage d’axions pourrait offrir une nouvelle opportunité pour détecter ces particules insaisissables. Contrairement à d’autres endroits dans l’Univers où les axions pourraient être présents en très faibles quantités, ces nuages autour des étoiles à neutrons seraient en effet exceptionnellement denses.
Cette densité pourrait alors produire des signaux détectables par les télescopes terrestres, notamment sous forme de lumière ou de radiations électromagnétiques. Ces signaux pourraient se manifester de deux façons. D’une part, un signal continu pourrait être observé pendant toute la durée de vie de l’étoile à neutrons. D’autre part, à la fin de la vie de l’étoile, lorsqu’elle cesse d’émettre de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique, un flash lumineux unique pourrait survenir, permettant aux scientifiques de vérifier la présence d’axions et d’en savoir plus sur leurs propriétés.
Quelles sont les prochaines étapes ?
Bien qu’aucune observation directe de ces nuages d’axions n’ait encore été faite, les chercheurs savent désormais précisément quoi chercher. Les prochaines étapes incluent l’utilisation de télescopes puissants, comme ceux utilisés en radioastronomie, pour tenter de détecter ces signaux faibles. Si les scientifiques parviennent à observer ces nuages d’axions, cela pourrait ouvrir une nouvelle ère dans la compréhension de la matière noire et des particules qui composent notre Univers.
D’autres recherches sont également en cours pour modéliser numériquement ces nuages et affiner les prévisions sur les types de signaux que nous pourrions observer. Ces recherches pourraient également s’étendre à des systèmes plus complexes, comme des étoiles à neutrons en orbite avec d’autres étoiles ou des trous noirs, ce qui pourrait fournir encore plus d’indices sur la nature des axions.