Illustration montrant les rayons gamma d’une étoile à neutrons. Crédit : NASA
Utiliser les étoiles à neutrons pour détecter la matière noire
La recherche de matière noire peut nécessiter un détecteur plus grand que ce que nous pouvons construire sur Terre, mais il se pourrait qu’un étoile à neutrons peut faire le travail.
La quête pour découvrir la nature de la matière noire est l’un des plus grands défis de la science aujourd’hui, mais la clé pour enfin comprendre cette substance mystérieuse pourrait bien se trouver dans les étoiles.
Ou pour être précis, un type particulier d’étoile – l’étoile à neutrons.
Jusqu’à présent, les scientifiques ont pu déduire l’existence de la matière noire, mais pas directement l’observer. En fait, détecter des particules de matière noire dans des expériences sur Terre est une tâche formidable, car les interactions des particules de matière noire avec la matière ordinaire sont extrêmement rares.
Les étoiles à neutrons sont suffisamment denses pour capturer la matière noire. Image : Animation d’une étoile à neutrons en rotation dans l’espace. Crédit : Laboratoire d’images conceptuelles du Goddard Space Flight Center de la NASA
Pour rechercher ces signaux incroyablement rares, nous avons besoin d’un très grand détecteur – peut-être si grand qu’il est impossible de construire un détecteur suffisamment grand sur Terre. Cependant, la Nature offre une option alternative sous la forme d’étoiles à neutrons – une étoile à neutrons entière peut agir comme le détecteur ultime de matière noire.
Dans une recherche publiée dans Lettres d’examen physique, nous avons déterminé comment utiliser de manière beaucoup plus précise les informations obtenues grâce à ces détecteurs de matière noire naturels uniques.
Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus denses connues qui existent et se forment lorsque des étoiles géantes meurent dans des explosions de supernovae. Il reste un noyau effondré, dans lequel la gravité presse la matière si étroitement que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons. Avec une masse comparable à celle du Soleil – comprimée dans un rayon de 10 km – une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons a une masse d’environ un milliard de tonnes !
Ces étoiles sont des « laboratoires cosmiques », nous permettant d’étudier le comportement de la matière noire dans des conditions extrêmes impossibles à reproduire sur Terre.
La matière noire n’interagit que très faiblement avec la matière ordinaire. Par exemple, il peut traverser une année-lumière de plomb (environ 10 000 milliards de kilomètres) sans être arrêté. Incroyablement, cependant, les étoiles à neutrons sont si denses qu’elles peuvent être capables de piéger toutes les particules de matière noire qui les traversent.
Bien que l’existence de la matière noire ait été inférée, elle n’a pas encore été directement observée. Crédit : NASA
Théoriquement, les particules de matière noire entreraient en collision avec des neutrons dans l’étoile, perdraient de l’énergie et seraient piégées gravitationnellement. Au fil du temps, des particules de matière noire s’accumuleraient au cœur de l’étoile. Cela devrait réchauffer les vieilles étoiles à neutrons froides à un niveau qui pourrait être à la portée des observations futures. Dans des cas extrêmes, l’accumulation de matière noire peut déclencher l’effondrement de l’étoile à un trou noir.
Cela signifie que les étoiles à neutrons peuvent nous permettre de sonder certains types de matière noire qui seraient difficiles ou impossibles à observer dans des expériences sur Terre.
Sur Terre, les expériences sur la matière noire recherchent de minuscules signaux de recul nucléaire, causés par des collisions incroyablement rares de particules de matière noire se déplaçant lentement. En comparaison, le fort champ gravitationnel d’une étoile à neutrons accélère la matière noire à quasi-relativiste vitesses, ce qui entraîne des collisions à énergie beaucoup plus élevée.
Un autre problème pour la détection terrestre est que les expériences de recul nucléaire sont plus sensibles aux particules de matière noire qui ont une masse similaire à celle des noyaux atomiques, ce qui rend plus difficile la détection de la matière noire qui pourrait être beaucoup plus légère ou plus lourde.
Cependant, les particules de matière noire peuvent théoriquement être piégées dans les étoiles et les planètes en quantités considérables, qu’elles soient légères ou lourdes.
Un défi critique dans l’utilisation des étoiles à neutrons pour détecter la matière noire est de s’assurer que les calculs utilisés par les scientifiques tiennent pleinement compte de l’environnement unique de l’étoile. Bien que la capture de la matière noire dans les étoiles à neutrons ait été étudiée pendant des décennies, les calculs existants ont manqué d’importants effets physiques.
Les calculs utilisés pour détecter la matière noire dans les étoiles à neutrons doivent tenir pleinement compte de l’environnement unique de l’étoile.
Notre équipe s’est donc attachée à apporter des améliorations clés au calcul du taux de capture de la matière noire, c’est-à-dire à la vitesse à laquelle la matière noire s’accumule dans les étoiles à neutrons, ce qui a considérablement modifié les réponses.
Notre recherche tient compte correctement de la structure des nucléons, plutôt que de traiter les neutrons comme des particules ponctuelles, et inclut les effets des forces fortes entre les nucléons, plutôt que de modéliser les neutrons comme un gaz libre de particules. Cela s’appuie sur notre travaux antérieurs dans lequel nous avons incorporé la composition de l’étoile, les effets relativistes, les statistiques quantiques et la focalisation gravitationnelle.
En termes simples, nous avons montré comment penser correctement les collisions de matière noire dans l’environnement extrême des étoiles à neutrons, qui est si différent des détecteurs de matière noire sur Terre.
Cette nouvelle recherche augmente considérablement la précision et la robustesse de nos estimations du taux de capture de matière noire. Cela nous permet de mieux déterminer la force des interactions entre la matière noire et la matière ordinaire.
En fin de compte, les preuves (ou le manque de preuves) de l’accumulation de matière noire dans les étoiles fourniraient des indices précieux sur l’endroit où cibler les efforts expérimentaux sur Terre, aidant à percer le mystère de la matière noire.
Référence : « Nucleon Structure and Strong Interactions in Dark Matter Capture in Neutron Stars » par Nicole F. Bell, Giorgio Busoni, Theo F. Motta, Sandra Robles, Anthony W. Thomas et Michael Virgato, 10 septembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.111803
L’équipe de recherche a impliqué des scientifiques du Centre d’excellence de l’ARC pour la physique des particules de matière noire, notamment le Dr Sandra Robles, Michael Virgato et le professeur Nicole Bell de l’Université de Melbourne, le Dr Giorgio Busoni de l’Institut Max Planck de physique nucléaire en Allemagne, et Theo Motta et le professeur Anthony Thomas AC de l’Université d’Adélaïde.
