La nature de la matière noire continue de laisser les astronomes perplexes. Alors que la recherche de particules de matière noire ne donne rien, il est tentant de rejeter le modèle de la matière noire, mais les preuves indirectes de l’existence de cette matière continuent d’être fortes. Alors, de quoi s’agit-il ? Une équipe a une idée, et elle a publié les résultats de sa première recherche.
Les conditions de la matière noire signifient qu’il ne peut s’agir de matière ordinaire. La matière ordinaire (atomes, molécules, etc.) absorbe et émet facilement de la lumière. Même si la matière noire était constituée de nuages de molécules si froides qu’elles n’émettent presque aucune lumière, elles seraient tout de même visibles par la lumière qu’elles absorbent. Ils apparaîtraient comme les nébuleuses sombres que l’on voit souvent près du plan galactique. Mais ils sont loin d’être assez nombreux pour expliquer les effets de la matière noire que nous observons. Nous avons également exclu les neutrinos. Ils n’interagissent pas fortement avec la lumière, mais les neutrinos sont une forme de matière noire “chaude” puisqu’ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Nous savons que la plupart des matières noires doivent être lentes, et donc “froides”. Donc, si la matière noire existe, elle doit être quelque chose d’autre.
Dans ce dernier ouvrage, les auteurs soutiennent que la matière noire pourrait être constituée de particules connues sous le nom de bosons scalaires. Toute la matière connue peut être classée dans deux grandes catégories, les fermions et les bosons. La catégorie à laquelle appartient une particule dépend d’une propriété quantique appelée “spin”. Les fermions, tels que les électrons et les quarks, ont un spin fractionnaire tel que 1/2 ou 3/2. Les bosons tels que les photons ont un spin entier tel que 1 ou 0. Toute particule ayant un spin de 0 est un boson scalaire.
Les quarks et les leptons sont des fermions, tandis que les porteurs de force sont des bosons. Crédit : Fermilab
Bien que cette distinction semble triviale, les deux types de particules se comportent très différemment lorsqu’elles sont rassemblées en grands groupes. Les fermions ne peuvent jamais occuper le même état quantique. Par conséquent, lorsque vous essayez de les serrer les uns contre les autres, ils se repoussent. C’est pourquoi les naines blanches et les étoiles à neutrons existent. La gravité essaie de pousser les électrons ou les neutrons ensemble, mais la pression de Fermi est si forte qu’elle peut résister à la gravité (jusqu’à un certain point). Les bosons, en revanche, sont parfaitement heureux d’occuper le même état. Ainsi, si vous surfusionnez un groupe de bosons (comme l’hélium 4), ils peuvent s’installer dans un étrange objet quantique connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein.
Le seul boson scalaire connu est le boson de Higgs. Le Higgs ne peut pas être de la matière noire étant donné ses propriétés connues, mais certaines théories proposent d’autres bosons scalaires. Ceux-ci n’interagiraient pas fortement avec la lumière, mais seulement avec la gravité. Comme la lumière ne peut pas les chauffer de manière significative, ces bosons scalaires se refroidiraient avec le temps et s’effondreraient en de grands nuages. Ainsi, la matière noire est peut-être constituée de grands nuages diffus de bosons scalaires.
Illustration d’un noyau de quark dans une étoile à neutrons. Crédit : Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science
C’est une idée intéressante, mais comment la prouver ? Il s’avère que puisque les bosons scalaires interagissent gravitationnellement, ils interagissent également avec gravitational waves. Depending on their mass, scalar bosons might also decay by emitting gravitons. As a result, scalar bosons could create long-lasting gravitational waves that have a similar frequency. It’s the gravitational equivalent of a faint hum. So the team looked at gravitational wave data from LIGO and Virgo. They looked for evidence of a gravitational hum in the 20 – 600 Hz range and found nothing. Based on their work, the authors conclude that there are no young scalar boson clouds in our galaxy. There are also no old and cold scalar boson clouds within 3,000 light-years of Earth.
This study doesn’t rule out scalar bosons completely, but it does put some strong limits on the idea. And right now that seems to be the story of dark matter. In our search to discover what it is, we continue to find out what it is not.
Originally published on Universe Today.
For more on this research, see Ghostly Boson Clouds Could Solve the Mystery of Dark Matter.
