La matière noire est une substance fantomatique que les astronomes n'ont pas réussi à détecter depuis des décennies, mais dont nous savons qu'elle a une énorme influence sur la matière normale de l'univers, comme les étoiles et les galaxies. Grâce à l’attraction gravitationnelle massive qu’il exerce sur les galaxies, il les fait tourner, leur donne une poussée supplémentaire le long de leurs orbites, voire les déchire.

Comme un miroir de carnaval cosmique, il courbe également la lumière d'objets distants pour créer des images déformées ou multiples, un processus appelé lentille gravitationnelle.

Et recherches récentes suggère que cela pourrait créer encore plus de drame que cela, en produisant des étoiles qui explosent.

Malgré tous les ravages qu'elle provoque dans les galaxies, on ne sait pas grand-chose sur la capacité de la matière noire à interagir avec elle-même, autrement que par la gravité. S’il subit d’autres forces, celles-ci doivent être très faibles, sinon elles auraient été mesurées.

Un candidat possible pour une particule de matière noire, constituée d'une classe hypothétique de particules massives (ou WIMP), a été étudié intensément, jusqu’à présent sans aucune preuve observationnelle.

Récemment, d’autres types de particules, également faiblement interagissant mais extrêmement légères, ont fait l’objet d’une attention particulière. Ces particules, appelées axion, étaient les premiers proposé à la fin des années 1970 à résoudre un problème quantique, mais ils pourraient également convenir à la matière noire.

Contrairement aux WIMP, qui ne peuvent pas « coller » ensemble pour former de petits objets, les axions peuvent le faire. Parce qu’ils sont si légers, un grand nombre d’axions devraient représenter toute la matière noire, ce qui signifie qu’ils devraient être entassés. Mais comme il s'agit d'un type de particule subatomique connue sous le nom de boson, cela ne les dérange pas.

En fait, les calculs montrent que les axions pourraient être si serrés qu’ils commenceraient à se comporter étrangement – ​​agissant collectivement comme une onde – selon les règles de la mécanique quantique, la théorie qui régit le micromonde des atomes et des particules. Cet état est appelé un Condensat de Bose-Einstein, et il se peut, de manière inattendue, permettre aux axions de former des « étoiles » de leur propre.

Cela se produirait lorsque l’onde se déplacerait d’elle-même, formant ce que les physiciens appellent un « soliton », c’est-à-dire une masse d’énergie localisée qui peut se déplacer sans être déformée ou dispersée. Ceci est souvent observé sur Terre dans les vortex et les tourbillons, ou dans les anneaux de bulles qui les dauphins s'amusent sous l'eau.

La nouvelle étude fournit des calculs qui montrent que de tels solitons finiraient par grossir, devenant une étoile de taille similaire ou plus grande qu'une étoile normale. Mais finalement, ils deviennent instables et explosent.

L’énergie libérée par une telle explosion (appelée « bosenova ») rivaliserait avec celle d’une supernova (une étoile normale qui explose). Étant donné que la matière noire dépasse de loin la matière visible dans l’univers, cela laisserait sûrement un signe dans nos observations du ciel. Nous n’avons pas encore trouvé de telles cicatrices, mais la nouvelle étude nous donne quelque chose à rechercher.

Un test d'observation

La chercheurs derrière l'étude disons que le gaz environnant, constitué de matière normale, absorberait cette énergie supplémentaire de l'explosion et en rejetterait une partie. Puisque la majeure partie de ce gaz est constituée d’hydrogène, nous savons que cette lumière devrait être émise par des fréquences radio.

Il est intéressant de noter que les futures observations avec le Réseau de kilomètres carrés le radiotélescope pourra peut-être le capter.

Ainsi, même si les feux d’artifice des explosions d’étoiles noires peuvent être cachés à notre vue, nous pourrions peut-être en découvrir les conséquences dans la matière visible. Ce qui est formidable, c'est qu'une telle découverte nous aiderait à déterminer de quoi est réellement constituée la matière noire – dans ce cas, très probablement des axions.

Que se passe-t-il si les observations ne détectent pas le signal prédit ? Cela n’exclura probablement pas complètement cette théorie, car d’autres particules « de type axion » sont encore possibles. Un échec de détection peut toutefois indiquer que les masses de ces particules sont très différentes ou qu’elles ne se couplent pas avec le rayonnement aussi fortement qu’on le pensait.

En fait, cela s’est déjà produit. À l’origine, on pensait que les axions se coupleraient si fortement qu’ils seraient capables de refroidir le gaz à l'intérieur des étoiles. Mais comme les modèles de refroidissement des étoiles montraient que les étoiles fonctionnaient très bien sans ce mécanisme, la force de couplage des axions devait être inférieure à celle supposée initialement.

Bien entendu, rien ne garantit que la matière noire soit constituée d’axions. Les WIMPs sont toujours des prétendants dans cette course, et il y en a d'autres aussi.

Par ailleurs, certaines études suggèrent que la matière noire de type WIMP peut également former des « étoiles sombres ». Dans ce cas, les étoiles seraient toujours normales (constituées d’hydrogène et d’hélium), la matière noire ne faisant que les alimenter.

Ces étoiles sombres alimentées par WIMP devraient être supermassives et ne vivre que pendant une courte période dans l'univers primitif. Mais ils pourraient être observés par le télescope spatial James Webb. Une étude récente a affirmé trois de ces découvertes, même si le jury ne sait toujours pas si c'est vraiment le cas.

Néanmoins, l’enthousiasme suscité par les axions augmente et de nombreux projets existent pour les détecter. Par exemple, les axions sont attendus convertir en photons lorsqu'ils traversent un champ magnétique, les observations de photons ayant une certaine énergie ciblent donc des étoiles dotées de champs magnétiques, comme les étoiles à neutrons, ou même le soleil.

Sur le plan théorique, des efforts sont déployés pour affiner les prévisions sur ce à quoi ressemblerait l’univers avec différents types de matière noire. Par exemple, les axions peuvent être distingués des WIMP. à propos, ils courbent la lumière grâce à la lentille gravitationnelle.

Avec de meilleures observations et théories, nous espérons que le mystère de la matière noire sera bientôt résolu.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit image: ESA/Webb, NASA et ASC, A. Martel

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• La source: https://singularityhub.com/2024/03/25/dark-stars-dark-matter-may-form-exploding-stars-finding-them-could-help-reveal-what-its-made-of/