De quoi est faite la matière noire? C’est l’une des questions les plus déroutantes de l’astronomie moderne. Nous savons que la matière noire est là-bas, car nous pouvons voir son influence gravitationnelle évidente sur tout, des galaxies à l'évolution de l'univers entier, mais nous ne savons pas ce qu'elle est. Notre meilleure supposition est que c'est une sorte de nouvelle particule bizarre qui n'aime pas parler très souvent à la matière normale (sinon nous l'aurions déjà vue). Il est possible qu'il s'agisse d'une sorte de particule hypothétique exotique connue sous le nom d'axion, et une équipe d'astronomes n'utilise rien d'autre que des trous noirs pour essayer d'avoir un aperçu de cette étrange nouvelle créature cosmique.
Agenda Axion
Je vais être honnête avec vous, nous ne savons pas si des axions existent. Ils ont été inventés pour expliquer une énigme en physique des hautes énergies. Il y a un certain type de symétrie dans la nature où si vous prenez une interaction aléatoire impliquant beaucoup de particules subatomiques et éteignez les charges électriques de tout le monde pour le signe opposé, et que vous exécutez également le processus dans le miroir, vous obtenez exactement le même résultat. Ceci est connu comme symétrie de charge et de parité, ou symétrie CP pour faire court.
Cette symétrie est présente partout dans la nature, sauf lorsqu'elle ne l'est pas, comme dans le cas de la force nucléaire faible, qui est capable de violer cette symétrie chaque fois qu'elle en a envie.
L'énigme est que, par tous les droits, la force nucléaire puissante devrait également violer cela. Il y a des termes dans les mathématiques qui rompent très évidemment la symétrie CP, et pourtant nous ne voyons aucun signe de symétrie rompant avec la force nucléaire forte dans aucune de nos expériences. Il faut donc que quelque chose se passe pour restaurer cette symétrie quand elle doit être brisée.
La réponse - ou au moins une réponse potentielle - est un nouveau type de particule appelé axion. L'axion rétablit un certain équilibre dans la force (oui, je connais la référence Star Wars ici) afin que la symétrie CP soit préservée et que chacun puisse vaquer à ses occupations quotidiennes. Bien sûr, les expériences à ce jour n'ont pas directement révélé l'existence de l'axion, et il existe une gamme de masses et de propriétés possibles que l'axion pourrait avoir.
Dans cette plage de masses et de propriétés admissibles possibles de l'axion, quelque chose de remarquable se produit. Si nous voulons remplir l'univers de matière noire, cette matière noire doit avoir certaines propriétés. Il ne peut pas interagir très souvent avec la matière normale et il ne peut même pas interagir avec lui-même très souvent non plus. En outre, il doit y en avoir beaucoup, et il doit être très stable et durable. Il s'avère que certaines des propriétés possibles de l'axion permettent à cette particule hypothétique d'être candidate à la matière noire.
Les Dark Axions
Si nous laissons l'axion être la matière noire, cela peut généralement expliquer toutes les observations habituelles de matière noire. Il peut expliquer les courbes de rotation à l'intérieur des galaxies. Il peut expliquer les mouvements des galaxies au sein des amas de galaxies. Il peut être fabriqué en abondance suffisante au début de l'Univers pour s'adapter aux observations du fond cosmique des micro-ondes. Etc.
De plus, les axions dans les noyaux des galaxies peuvent se regrouper suffisamment étroitement pour former une seule boule massive qui, à première vue, ressemblerait beaucoup à un trou noir supermassif. Ce serait petit, il n'interagirait pas avec la lumière et ce serait incroyablement massif. Bien que des observations récentes du télescope Event Horizon nous aient donné une image littérale d'un trou noir géant dans une autre galaxie, cela ne signifie pas nécessairement que ces noyaux d'axion se cachent toujours dans les profondeurs des galaxies à travers l'Univers. Et c'est avec ces noyaux d'axion possibles que nous pourrions être en mesure de comprendre leurs propriétés.
Les trous noirs sont la clé
Mis à part le télescope Event Horizon, nous n'avons aucune observation directe de trous noirs supermassifs. Nous ne pouvons voir que le matériau qui tourbillonne et bouillonne autour d'eux. Et à partir des propriétés de ce matériau, nous pouvons estimer la taille et la masse des trous noirs. Avec ces techniques, au cours des décennies, nous avons découvert une relation très étrange: des galaxies plus massives hébergent des trous noirs plus massifs dans leurs centres. Cette relation est en fait relativement étroite et elle nous dit que les trous noirs ont en quelque sorte co-évolué avec leurs galaxies hôtes.
Mais comme je l'ai dit, nous ne pouvons pas observer directement les trous noirs. Donc ce ne sont peut-être pas du tout des trous noirs. Il pourrait s'agir de noyaux d'axion se cachant au centre de ces galaxies. Si tel est le cas, ce n'est pas que les trous noirs ont co-évolué avec leurs galaxies hôtes, mais que les noyaux d'axion ont co-évolué avec leurs galaxies hôtes. Plus la galaxie est grande, plus elle peut contenir de matière noire d'axion et plus le noyau d'axion est grand au centre.
Cela signifie que nous pouvons utiliser la relation entre l'objet sombre central (qu'il s'agisse d'un trou noir ou d'un noyau d'axion) et la galaxie elle-même pour limiter les propriétés des axions. Cela fonctionne parce que si vous commencez à jouer avec la masse de particules d'axion, cela affecte la facilité avec laquelle vous pouvez vous regrouper pour former un noyau, ce qui changera la relation avec la galaxie hôte.
Une équipe d'astronomes a récemment utilisé la relation entre les trous noirs et les galaxies pour faire exactement cela, et a pu fixer des limites supérieures à la masse des particules d'axion, ce qui aidera à guider les expériences futures et les recherches directes. L'axion est-il responsable de la matière noire dans l'univers? J'espère qu'un jour nous pourrons faire la lumière sur la situation.
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