Lorsque la sonde New Horizons a atteint l’obscurité extérieure du système solaire, après Pluton, ses instruments ont capté quelque chose d’étrange.
Très, très faiblement, l’espace entre les étoiles brillait d’une lumière optique. Ce n’était pas en soi inattendu ; cette lumière s’appelle le fond optique cosmique, une faible luminescence provenant de toutes les sources lumineuses de l’Univers en dehors de notre galaxie.
La partie étrange était la quantité de lumière. Il y en avait beaucoup plus que ce que les scientifiques pensaient qu’il devrait y avoir – deux fois plus, en fait.
Maintenant, dans un nouvel article, les scientifiques exposent une explication possible de l’excès de lumière optique : un sous-produit d’une interaction autrement indétectable de la matière noire.
“Les résultats de ce travail”, écrivent une équipe de chercheurs dirigée par l’astrophysicien José Luis Bernal de l’Université Johns Hopkins, “fournissent une explication potentielle à l’excès de fond optique cosmique qui est autorisé par des contraintes d’observation indépendantes, et qui peut répondre à l’une des l’inconnue la plus ancienne de la cosmologie : la nature de la matière noire.”
Nous avons de nombreuses questions sur l’Univers, mais la matière noire est parmi les plus épineuses. C’est le nom que nous donnons à une masse mystérieuse dans l’Univers responsable de fournir beaucoup plus de gravité dans des endroits concentrés qu’il ne devrait y en avoir.
Les galaxies, par exemple, tournent plus vite qu’elles ne le devraient sous la gravité générée par la masse de matière visible.
La courbure de l’espace-temps autour des objets massifs est plus grande qu’elle ne devrait l’être si nous calculions la déformation de l’espace en nous basant uniquement sur la quantité de matière incandescente.
Mais quoi qu’il crée cet effet, nous ne pouvons pas le détecter directement. La seule façon dont nous savons qu’il est là, c’est que nous ne pouvons tout simplement pas expliquer cette gravité supplémentaire.
Et il y en a beaucoup. Environ 80 % de la matière de l’Univers est de la matière noire.
Il y a quelques hypothèses sur ce que cela pourrait être. L’un des candidats est l’axion, qui appartient à une classe hypothétique de particules conceptualisées pour la première fois dans les années 1970 pour résoudre la question de savoir pourquoi de fortes forces atomiques suivent ce qu’on appelle la symétrie charge-parité alors que la plupart des modèles disent qu’ils n’en ont pas besoin.
Il s’avère que les axions dans une plage de masse spécifique devraient également se comporter exactement comme nous nous attendons à ce que la matière noire le fasse. Et il pourrait y avoir un moyen de les détecter, car théoriquement, on s’attend à ce que les axions se désintègrent en paires de photons en présence d’un champ magnétique puissant.
Plusieurs expériences recherchent des sources de ces photons, mais ils devraient également traverser l’espace en nombre excessif.
La difficulté est de les séparer de toutes les autres sources lumineuses de l’Univers, et c’est là qu’intervient le fond optique cosmique.
L’arrière-plan est lui-même très difficile à détecter car il est si faible. L’imageur de reconnaissance à longue portée (LORRI) à bord du New Horizons est probablement le meilleur outil pour le travail à ce jour. Il est loin de la Terre et du Soleil, et LORRI est bien plus sensible que les instruments attachés aux sondes Voyager plus éloignées lancées 40 ans plus tôt.
Les scientifiques ont supposé que l’excès détecté par New Horizons était le produit attribué aux étoiles et aux galaxies que nous ne pouvons pas voir. Et cette option est toujours sur la table. Le travail de Bernal et de son équipe consistait à évaluer si la matière noire de type axion pouvait éventuellement être responsable de la lumière supplémentaire.
Ils ont effectué une modélisation mathématique et déterminé que les axions avec des masses comprises entre 8 et 20 électronvolts pouvaient produire le signal observé dans certaines conditions.
C’est incroyablement léger pour une particule, qui a tendance à être mesurée en mégaélectronvolts. Mais avec des estimations récentes mettant l’hypothétique morceau de matière à une fraction d’un seul électronvolt, ces chiffres exigeraient que les axions soient relativement costauds.
Il est impossible de dire quelle explication est correcte en se basant uniquement sur les données actuelles. Cependant, en resserrant les masses des axions qui pourraient être responsables de l’excès, les chercheurs ont jeté les bases de futures recherches sur ces particules énigmatiques.
“Si l’excès provient de la désintégration de la matière noire en une ligne de photons, il y aura un signal significatif dans les prochaines mesures de cartographie de l’intensité de la ligne”, écrivent les chercheurs.
“De plus, l’instrument ultraviolet à bord de New Horizons (qui aura une meilleure sensibilité et sondera une gamme différente du spectre) et les futures études d’atténuation des rayons gamma à très haute énergie testeront également cette hypothèse et étendront la recherche de matière noire à un plus large gamme de fréquences.”
La recherche a été publiée dans Physical Review Letters.
