Les pulsars peuvent-ils éclairer la matière noire ?

Newswise – La question centrale dans la recherche en cours de la matière noire est : de quoi est-elle composée ? Une réponse possible est que la matière noire est constituée de particules appelées axions. Une équipe d’astrophysiciens, dirigée par des chercheurs de l’Université d’Amsterdam et de Princeton, a montré que si la matière noire est constituée d’axones, elle peut se révéler comme une lueur supplémentaire cachée provenant des pulsars.

La matière noire est peut-être la composante la plus recherchée de notre univers. Étonnamment, cette forme mystérieuse de matière, que les physiciens et les astronomes n’ont pas encore pu détecter, est censée constituer une grande partie de ce qui existe. On pense qu’au moins 85 % de la matière de l’univers est « sombre » et ne peut actuellement être vue que grâce à la force de gravité qu’elle exerce sur d’autres objets astronomiques. Naturellement, les scientifiques en veulent plus. Ils veulent vraiment être vu La matière noire – ou à tout le moins, détecter son existence directement, et pas seulement la déduire des effets gravitationnels. Et bien sûr : ils veulent savoir Quoi que ça.

Nettoyer deux problèmes
Une chose est claire : la matière noire ne peut pas être le même type de matière à partir de laquelle vous et moi avons été créés. Si tel était le cas, la matière noire se comporterait simplement comme la matière ordinaire : elle formerait des objets comme des étoiles, s’éclairerait et ne serait plus « sombre ». Les scientifiques recherchent donc quelque chose de nouveau – un type de particule que personne n’a encore découvert, et qui interagit peut-être très faiblement avec les types de particules que nous connaissons, ce qui explique pourquoi cette composante de notre monde est restée insaisissable jusqu’à présent.

Il existe de nombreux indices sur où chercher. Une hypothèse courante est que la matière noire pourrait en être issue. Axions. Ce type hypothétique de particule a été introduit pour la première fois dans les années 1970 pour résoudre un problème sans rapport avec la matière noire. Il s’avère que la séparation des charges positives et négatives à l’intérieur du neutron, l’un des éléments de base des atomes ordinaires, était étonnamment faible. Bien entendu, les scientifiques voulaient savoir pourquoi. Il s’avère que la présence d’un type de particule jusqu’ici inconnu, qui interagit très faiblement avec les composants neutroniques, peut précisément provoquer un tel effet. Frank Wilczek, plus tard lauréat du prix Nobel, a trouvé un nom pour la nouvelle particule : Accion – Non seulement il ressemble aux noms d’autres particules telles que le proton, le neutron, l’électron et le photon, mais il s’inspire également de la lessive du même nom. Axion était là pour résoudre le problème.

En fait, bien que jamais détecté, il pourrait en nettoyer deux. Plusieurs théories des particules élémentaires, dont la théorie des cordes, l’une des principales candidates pour unifier toutes les forces de la nature, semblent prédire la possibilité de particules de type axion. Si les axones existent, pourraient-ils expliquer une partie, voire la totalité, de la matière noire manquante ? Peut-être, mais la question supplémentaire qui a hanté toutes les recherches sur la matière noire était également valable pour les axions : si oui, comment pouvons-nous les voir ? Comment rendre visible quelque chose de « sombre » ?

Faire la lumière sur la matière noire
Heureusement, il semble que pour les axions, il existe un moyen de sortir de ce dilemme. Si les théories prédisant les axones sont exactes, non seulement ils seraient produits en grande quantité dans l’univers, mais certains axones pourraient également être convertis en lumière en présence de champs électromagnétiques puissants. Une fois qu’il y a de la lumière, nous pouvons voir. Serait-ce la clé pour découvrir les axones, et donc la matière noire ?

Pour répondre à cette question, les scientifiques ont d’abord dû se demander où dans l’univers se produisent les champs électriques et magnétiques connus les plus puissants ? La réponse est : dans les régions entourant les étoiles à neutrons en rotation, également connues sous le nom de Pulsars. Ces pulsars – abréviation de « pulsars » – sont des objets denses, avec une masse à peu près la même que celle de notre Soleil, mais un rayon environ 100 000 fois plus petit, soit environ 10 kilomètres. En raison de leur petite taille, les pulsars tournent à des fréquences énormes, émettant des faisceaux radio étroits et brillants le long de leur axe de rotation. Semblable à un phare, les rayons d’un pulsar peuvent balayer la Terre, le rendant facilement visible.

Mais la rotation massive du pulsar fait bien plus que cela. Il transforme l’étoile à neutrons en un électro-aimant extrêmement puissant. Ceci, à son tour, pourrait signifier que les pulsars sont des usines d’axions très efficaces. Chaque seconde, un pulsar moyen serait capable de produire un nombre d’axones à 50 chiffres. En raison du fort champ électromagnétique autour du pulsar, une partie de ces axones peut être transformée en lumière observable. C’est-à-dire : si les axes existaient, mais le mécanisme peut désormais être utilisé pour répondre uniquement à cette question. Regardez simplement les pulsars, voyez s’ils émettent une lumière supplémentaire et, si c’est le cas, déterminez si cette lumière supplémentaire provient des axones.

Simulation de lueur subtile
Comme c’est toujours le cas en science, faire une telle observation n’est bien sûr pas si simple. La lumière émise par les axones – qui peut être détectée sous forme d’ondes radio – ne représentera qu’une petite fraction de la lumière totale envoyée par ces brillantes balises cosmiques. Il faut savoir très précisément ce qu’est un pulsar sans Les axes ressembleront à ce qu’est un pulsar avec Les axes devraient ressembler à cela pour pouvoir voir la différence, et encore moins mesurer cette différence et la transformer en une mesure de la quantité de matière noire.

Et c’est exactement ce qu’une équipe de physiciens et d’astronomes a fait. Dans le cadre d’un effort de collaboration entre les Pays-Bas, le Portugal et les États-Unis, l’équipe a construit un cadre théorique complet qui permet de comprendre en détail comment les axones sont produits, comment les axones échappent à l’attraction gravitationnelle d’une étoile à neutrons et comment, lorsqu’ils s’échappent, ils sont transformé en rayonnement radio de faible énergie.

Les résultats théoriques ont ensuite été transférés sur un ordinateur pour modéliser la production d’axones autour des pulsars, à l’aide de simulations numériques de plasma de pointe, initialement développées pour comprendre la physique derrière la façon dont les pulsars émettent des ondes radio. Une fois réellement produits, la propagation des axones à travers les champs électromagnétiques de l’étoile à neutrons a été simulée. Cela a permis aux chercheurs de comprendre quantitativement la production ultérieure d’ondes radio et de modéliser comment ce processus fournit un signal radio supplémentaire en plus des émissions intrinsèques générées par le pulsar lui-même.

Mettre les modèles Axion à l’épreuve
Les résultats théoriques et de simulation ont ensuite été soumis au premier test d’observation. À l’aide des observations de 27 pulsars proches, les chercheurs ont comparé les ondes radio observées aux modèles, pour voir si un excès mesuré pouvait fournir une preuve de la présence des axions. Malheureusement, la réponse a été « non » – ou peut-être, de manière plus optimiste : « pas encore ». Les Axions ne nous sautent pas dessus tout de suite, mais on ne s’y attendait peut-être pas. Si la matière noire avait livré ses secrets si facilement, ils auraient été détectés depuis longtemps.

Ainsi, l’espoir de découvrir les axes est désormais une question d’observation future. Dans le même temps, le manque de détection des signaux radio des interlocuteurs est en soi un résultat intéressant. La première comparaison entre les simulations et les pulsars réels a posé les limites les plus strictes à ce jour sur l’interaction que les axones peuvent avoir avec la lumière.

Bien entendu, l’objectif ultime est de faire plus que simplement fixer des limites : soit montrer que les axions existent, soit garantir qu’il est peu probable que les axions soient un composant de la matière noire. Les nouvelles découvertes ne sont qu’un premier pas dans cette direction ; Ce n’est que le début de ce qui pourrait devenir un domaine entièrement nouveau et hautement interdisciplinaire, susceptible de faire des progrès significatifs dans la recherche sur les axones.