La matière noire est-elle réelle ? Le mystère multi-décennie de l’astronomie

L’astronomie moderne est un peu en ébullition. Les astronomes comprennent comment les étoiles se forment, brûlent et meurent, et ils améliorent leur compréhension de la façon dont les planètes s’assemblent en systèmes planétaires comme le nôtre.

Mais les astronomes ont un problème : ils ne comprennent pas comment les galaxies peuvent exister – un problème qui n’a pas été résolu après des décennies de recherche.

Le problème est relativement simple. Les galaxies sont des ensembles d’étoiles maintenues ensemble par la gravité. Comme notre système solaire, ils tournent, avec des étoiles marchant sur des chemins majestueux, en orbite autour du centre galactique. À n’importe quelle distance fixe du centre de la galaxie, les étoiles se déplaçant plus rapidement nécessitent une gravité plus forte pour les maintenir sur cette orbite. Lorsque les astronomes mesurent la vitesse orbitale des étoiles dans des galaxies à différentes distances du centre, ils constatent que les étoiles se déplacent si vite que les galaxies devraient être déchirées.

L’explication la plus courante de cette énigme observationnelle est une forme de matière jusqu’ici inconnue : la matière noire. Si elle existe, la matière noire exerce une gravité, mais elle n’émet pas de lumière ni aucune forme de rayonnement électromagnétique. Cela signifie qu’il ne peut pas être vu par les télescopes ou toute autre instrumentation que les astronomes utilisent pour observer le cosmos. Cependant, cette matière noire invisible ajouterait à l’attraction gravitationnelle de n’importe quelle galaxie, expliquant pourquoi les étoiles orbitent si rapidement autour de la galaxie.

Le problème avec l’hypothèse de la matière noire est que personne ne sait quelle forme prend la matière noire. Lorsque le terme a été proposé pour la première fois en 1933 par l’astronome américano-suisse Fritz Zwicky, il était possible que la masse supplémentaire soit simplement des nuages ​​d’hydrogène gazeux. L’hydrogène gazeux interstellaire est en grande partie invisible pour les télescopes. Cependant, à mesure que la technologie s’est améliorée, les astronomes ont trouvé des moyens de mesurer la quantité d’hydrogène gazeux dans les galaxies et, bien qu’il y en ait beaucoup, il n’y en a pas assez pour expliquer le mystère de la rotation des galaxies.

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D’autres explications qui ont été proposées incluent des choses comme des étoiles brûlées, des trous noirs et d’autres objets connus pour exister dans les galaxies mais qui n’émettent pas de lumière. Cependant, les astronomes ont recherché de tels objets (appelés MACHO, abréviation de MAssive Compact Halo Objects) dans les années 1990 et, encore une fois, bien qu’ils aient trouvé des exemples de MACHO, il n’y en avait pas assez pour expliquer le mouvement des étoiles dans les galaxies.

WIMP

Certaines des explications les plus simples étant exclues, les scientifiques ont commencé à penser que la matière noire existait peut-être sous la forme d’une sorte de «gaz» ou de particules jamais vues auparavant. Ces particules sont appelées génériquement “WIMP”, abréviation de “Weakly Interacting Massive Particles”. Les WIMP, s’ils existent, sont essentiellement des particules subatomiques stables, avec une masse quelque part dans la gamme de la masse d’un proton jusqu’à 10 000 protons, voire plus.

Comme toutes les particules candidates de matière noire, les WIMP interagissent gravitationnellement, mais le « W » dans le nom signifie qu’ils interagissent également via la force nucléaire faible. La force nucléaire faible est impliquée dans certaines formes de radioactivité. beaucoup plus forte que la gravité, mais contrairement à la portée infinie de la gravité, la force nucléaire faible n’agit que sur de minuscules distances – des distances beaucoup plus petites qu’un proton. Si les WIMP existent, ils envahissent les galaxies, y compris notre Voie lactée, et même notre propre système solaire. En fonction de la masse des WIMP, les astronomes estiment que si vous serrez le poing, une particule de matière noire pourrait s’y trouver.

Les scientifiques recherchent des preuves directes et convaincantes de l’existence des WIMP depuis de nombreuses décennies. Ils le font de plusieurs façons. Par exemple, certaines théories WIMP suggèrent que les WIMP peuvent être fabriqués dans des accélérateurs de particules, comme le Large Hadron Collider en Europe. Les physiciens des particules regardent leurs données, espérant voir la signature de la production de WIMP. Aucune preuve n’a été observée jusqu’à présent.

Une autre façon dont les chercheurs recherchent les WIMP consiste à observer directement les particules de matière noire qui flottent dans le système solaire. Les scientifiques construisent de très grands détecteurs et les refroidissent à des températures très froides afin que les atomes des détecteurs se déplacent lentement. Ils ont ensuite placé ces détecteurs à un demi-mile ou plus sous terre pour les protéger des radiations de l’espace. Puis ils attendent, espérant qu’une particule de matière noire interagira dans leur détecteur, perturbant l’un des atomes presque stationnaires.

fête

Mais malgré des décennies d’efforts, aucun WIMP n’a été observé. Les prédictions des années 1980 suggéraient que les chercheurs pouvaient s’attendre à détecter les WIMP à un rythme particulier. Lorsqu’aucun WIMP n’a été détecté, les chercheurs ont construit une série de détecteurs avec une sensibilité beaucoup plus grande, qui n’ont tous pas réussi à trouver des WIMP. Les détecteurs actuels sont 100 millions de fois plus sensibles que ceux des années 1980, et aucune observation définitive des WIMP n’a eu lieu, y compris une mesure très récente de l’expérience LZ, qui utilise 10 tonnes de xénon pour atteindre une sensibilité inégalée aux WIMP.

Avoir hâte de

Après des décennies d’échec dans la détection de la matière noire, la communauté scientifique réexamine la situation. Que sait-on avec certitude ? Entre autres choses, les astronomes sont certains que les galaxies tournent plus vite que ce qui peut être expliqué en utilisant les lois connues du mouvement et de la gravité et la quantité de matière observée. L’hypothèse de la matière noire est une solution à un déficit de matière, mais ce n’est peut-être pas la réponse. Peut-être que l’explication réelle est que les lois du mouvement et de la gravité doivent être réexaminées.

Le nom d’une telle approche s’appelle MOND – abréviation de “MOdifications of Newtonian Dynamics”. La première solution de ce type a été proposée dans les années 1980 par le physicien israélien Mordehai Milgrom. Il a proposé que pour le mouvement familier que nous vivons au jour le jour, les lois du mouvement élaborées par Isaac Newton dans les années 1600 fonctionnent très bien. Mais pour de très petites forces et de très petites accélérations (comme à la périphérie des galaxies), ces lois devaient être ajustées. Après avoir fait ces ajustements, il pouvait prédire correctement la rotation des galaxies.

Bien qu’une telle réalisation puisse être considérée comme un succès retentissant, il a modifié les équations pour correspondre aux propriétés de rotation observées des galaxies. Ce n’est pas le test réussi d’une théorie. Il connaissait la réponse avant de créer les équations.

Afin de tester la théorie de Milgrom, les chercheurs devaient comparer ses prédictions dans d’autres situations, comme l’appliquer au mouvement de grands amas de galaxies maintenus ensemble par leur attraction gravitationnelle mutuelle. La théorie MOND a du mal à faire une prédiction de ce mouvement qui soit en accord avec la théorie, et elle est également en désaccord avec d’autres observations.

Alors, où en sommes-nous ? Nous sommes dans cette phase délicieuse d’une énigme scientifique – un mystère qui cherche toujours une solution. Alors que la majorité de la communauté scientifique se range du côté de la matière noire, l’incapacité à prouver l’existence de la matière noire conduit certains à se pencher beaucoup plus sérieusement sur les théories qui modifient les théories acceptées de la gravité et du mouvement.

Si la matière noire existe, elle est cinq fois plus répandue que la matière atomique ordinaire. Si la bonne réponse est que nous devons revoir nos lois du mouvement et de la gravité, cela aura des conséquences importantes sur notre modélisation de l’histoire de l’univers. L’expérience LZ continue de fonctionner, dans l’espoir d’améliorer ses performances déjà impressionnantes, et les chercheurs construisent de nouveaux détecteurs, dans l’espoir de trouver de la matière noire et de résoudre définitivement le mystère.

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