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Un autre type de matière noire pourrait nous aider à résoudre une vieille énigme céleste

Crédits : Markus Haider/Illustris

Il semblerait que la matière noire ne se comporte pas de la même manière au niveau des galaxies individuelles et au niveau des amas galactiques. Deux physiciens suggèrent alors que cette hypothétique matière serait finalement capable de changer de phase à différentes échelles de taille, se comportant comme un superfluide.

Elle représente environ 85 % de la masse totale de l’Univers et pourtant, elle déroute encore les physiciens. La matière sombre est une substance hypothétique proposée il y a presque un siècle pour expliquer le déséquilibre évident entre la quantité de matière dans l’Univers et la gravité qui unit nos galaxies. Nous ne pouvons pas détecter directement la matière noire, mais nous pouvons voir ses effets sur tout ce qui nous entoure. Le modèle le plus simple et le plus populaire démontre que cette hypothétique matière serait constituée de particules faibles qui se déplaceraient lentement sous la force de la gravité. Cette matière noire, dite « froide », décrit avec précision des structures à grande échelle comme des grappes de galaxies. Cependant, elle ne prédit pas les courbes de rotation des galaxies individuelles. La matière sombre donc semble agir différemment à cette échelle.

Mais pourquoi ? Pour tenter de résoudre cette énigme, deux physiciens ont récemment proposé que la matière noire serait finalement capable de changer de phase à différentes échelles de taille. Justin Khoury, physicien à l’Université de Pennsylvanie, et Lasha Berezhiani, de l’Université de Princeton, suggèrent que dans l’environnement froid et dense du halo galactique, la matière noire se condense en un superfluide, un état quantique exotique de la matière qui n’a aucune viscosité. Si la matière noire forme un superfluide à l’échelle galactique, elle pourrait alors donner naissance à une nouvelle force qui rendrait compte des observations qui ne correspondent pas au modèle de matière sombre froide. Pourtant, à l’échelle des grappes de galaxies, les conditions spéciales requises pour former un état superfluide n’existent pas.

Ici sur Terre, les superfluides ne sont pas monnaie courante. En revanche, refroidissez les particules à des températures suffisamment basses et leur nature quantique commencera à apparaître. Dans notre quotidien, il fait trop chaud pour que les effets quantiques nécessaires puissent dominer. Mais récemment, des physiciens ont suggéré la possibilité que des phases superfluides puissent naturellement se développer dans les conditions extrêmes de l’espace. Après tout, des superfluides peuvent exister à l’intérieur d’étoiles à neutrons et certains chercheurs ont même spéculé que l’espace-temps lui-même pourrait être un superfluide. Alors, pourquoi la matière noire ne pourrait-elle pas l’être aussi ?

Pour obtenir un superfluide, vous devez faire deux choses : confiner les particules ensemble à des densités très élevées et les refroidir à des températures extrêmement basses. En laboratoire, les physiciens confinent les particules dans un piège électromagnétique, puis les pulvérisent avec des lasers pour éliminer l’énergie cinétique et ainsi abaisser la température juste au-dessus du zéro absolu. Dans les galaxies intérieures, le rôle du piège électromagnétique serait joué par la traction gravitationnelle de la galaxie qui pourrait serrer suffisamment la matière noire pour satisfaire l’exigence de densité. L’exigence de température est plus facile : après tout, l’espace est naturellement froid.

En dehors des « halos » trouvés dans le voisinage immédiat des galaxies, la traction de la gravité est plus faible, ainsi les conditions ne sont pas réunies. Ceci explique également ce que les astronomes observent à des échelles plus grandes. Mais comment cet état si spécial peut-il changer la façon dont la matière noire semble se comporter ? Nos deux chercheurs montrent ici comment le superfluide pourrait donner lieu à une force supplémentaire. En physique, si vous perturbez un champ, vous créez souvent une vague, une onde. Secouez des électrons par exemple dans une antenne : vous allez alors déranger un champ électrique et obtenir des ondes radio. De même pour deux trous noirs en collision et vous obtenez des ondes gravitationnelles. Pour un superfluide, vous produirez des phonons (des ondes sonores dans le superfluide lui-même). Ces phonons donnent alors lieu à une force supplémentaire en plus de la gravité qui est analogue à la force électrostatique entre les particules chargées. Pour les deux chercheurs, cette force supplémentaire suffirait en fait à expliquer le comportement déroutant de la matière noire à l’intérieur des halos galactiques.

La clé ici est que l’existence d’une matière noire superfluide pourrait expliquer les comportements étranges des galaxies individuelles que la gravité seule ne peut expliquer — elle pourrait créer une seconde force encore inconnue qui agit comme la gravité dans les halos des matières noires les entourant. La prochaine étape pour Khoury et Berezhiani consiste à découvrir le moyen de pouvoir tester leur modèle pour trouver une signature révélatrice qui pourrait distinguer ce concept de superfluide de la matière noire froide ordinaire.

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