Un duo d’astrophysiciens propose un nouveau modèle pour la matière invisible qui constitue la majeure partie de l’Univers : il est possible qu’une petite fraction (moins de 1 %) des particules de matière noire ait une minuscule charge électrique – un million de fois plus petite que la charge de l’électron.
Cette impression d’artiste montre l’évolution de l’Univers en commençant par le Big Bang à gauche, suivi par l’apparition du fond diffus cosmologique. La formation des premières étoiles met fin à l’âge sombre cosmique, suivie de la formation des galaxies. Crédit image : M. Weiss / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
“Vous avez entendu parler des voitures électriques et des livres électroniques, mais maintenant nous parlons de matière noire électrique. Cependant, cette charge électrique se situe à la plus petite des échelles”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Julian Munoz, de l’Université de Harvard.
Munoz et son co-auteur, le professeur Avi Loeb du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, explorent la possibilité que les particules de matière noire chargées interagissent avec la matière normale par la force électromagnétique.
Leur travail, publié dans le journal Natureconcorde avec les résultats récents de la collaboration EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature).
Plus tôt cette année, les scientifiques d’EDGES ont déclaré avoir détecté la signature radio de la première génération d’étoiles, et la preuve possible d’une interaction entre la matière noire et la matière normale.
Pendant ce temps, le Dr Munoz et le professeur Loeb se penchaient déjà sur la base théorique sous-jacente.
“Nous sommes en mesure de raconter une histoire de physique fondamentale avec nos recherches, quelle que soit la façon dont vous interprétez le résultat d’EDGES. La nature de la matière noire est l’un des plus grands mystères de la science et nous devons utiliser toutes les nouvelles données pour le résoudre”, a déclaré le professeur Loeb.
L’histoire commence avec les premières étoiles, qui émettaient de la lumière UV.
Selon le scénario communément admis, cette lumière UV a interagi avec les atomes d’hydrogène froids du gaz situé entre les étoiles et leur a permis d’absorber le rayonnement de fond cosmique (CMB), le rayonnement résiduel du Big Bang.
Cette absorption aurait dû entraîner une baisse d’intensité du CMB pendant cette période, qui se produit moins de 200 millions d’années après le Big Bang.
L’équipe EDGES a affirmé avoir détecté des preuves de cette absorption de la lumière du CMB, bien que cela n’ait pas encore été vérifié indépendamment par d’autres scientifiques. Cependant, la température de l’hydrogène gazeux dans les données EDGES est environ la moitié de la valeur attendue.
“Si EDGES a détecté du gaz d’hydrogène plus froid que prévu pendant cette période, qu’est-ce qui pourrait l’expliquer ? Une possibilité est que l’hydrogène a été refroidi par la matière noire”, a déclaré le Dr Munoz.
Au moment où le rayonnement CMB est absorbé, les électrons ou protons libres associés à la matière ordinaire se déplaçaient à leur vitesse la plus lente possible (puisqu’ils ont été chauffés plus tard par les rayons X des premiers trous noirs).
La diffusion des particules chargées est plus efficace à faible vitesse. Par conséquent, toute interaction entre la matière normale et la matière noire pendant cette période aurait été la plus forte si certaines des particules de matière noire étaient chargées.
Cette interaction aurait provoqué le refroidissement de l’hydrogène gazeux parce que la matière noire est froide, laissant potentiellement une signature observationnelle comme celle revendiquée par le projet EDGES.
“Nous contraignons la possibilité que les particules de matière noire portent une minuscule charge électrique – égale à un millionième de celle d’un électron – par des signaux mesurables provenant de l’aube cosmique. Des charges aussi minuscules sont impossibles à observer, même avec les plus grands accélérateurs de particules”, a déclaré le professeur Loeb.
Seules de petites quantités de matière noire à faible charge électrique peuvent à la fois expliquer les données d’EDGES et éviter le désaccord avec d’autres observations.
Si la plupart de la matière noire est chargée, alors ces particules auraient été déviées des régions proches du disque de notre galaxie de la Voie lactée, et empêchées de rentrer. Ceci est en contradiction avec les observations montrant que de grandes quantités de matière noire sont situées près du disque de la Voie lactée.
Les astrophysiciens savent, grâce à l’observation du CMB, que les protons et les électrons se sont combinés dans le disque de la Voie lactée.l’Univers primitif pour former des atomes neutres.
Seule une petite fraction de ces particules chargées, environ une sur quelques milliers, est restée libre.
Le Dr. Munoz et le Professeur Loeb envisagent la possibilité que la matière noire ait pu agir de manière similaire.
Les données d’EDGES, et d’autres expériences similaires, pourraient être le seul moyen de détecter les quelques particules chargées restantes, car la plupart de la matière noire serait neutre.
