Dans une nouvelle ère de recherche généralisée sur la matière noire, l'idée controversée de sa concentration dans des disques minces sort de l'oubli scientifique
En 1932, l'astronome néerlandais Jan Oort compta les étoiles de la Voie lactée et découvrit qu'elles manquaient. Sur la base du fait que les étoiles, se déplaçant en cercle dans le plan de la galaxie, sautent de haut en bas comme des chevaux sur un carrousel, Oort a calculé que la matière qui exerce un effet gravitationnel sur elles et les met en mouvement devrait être deux fois plus importante qu'il l'a vu. … Oort a postulé que le manque était compensé par de la "matière noire" cachée, et a suggéré qu'elle se concentre dans le disque, ce qui explique le mouvement des étoiles.
Cependant, la découverte de la matière noire, comme on appelle matière invisible et indéterminée, qui constitue les cinq sixièmes de la masse de l'univers, est généralement attribuée à l'astronome suisse-américain Fritz Zwicky, qui en 1933 a tiré son existence des mouvements mutuels des galaxies. Oort n'était pas bien connu au motif qu'il était sur la mauvaise voie. En 2000, les auteurs de nouvelles études sur la Voie lactée, en utilisant la méthode d'Oort, ont déterminé que la masse «manquante» était contenue dans des étoiles faibles, du gaz et de la poussière, et que le besoin d'un disque sombre n'était plus nécessaire. Des indices d'il y a 80 ans indiquent que la matière noire, quelle qu'elle soit, forme des nuages sphériques autour des galaxies, appelés «halos».
Du moins, c'est ce que disent la plupart des chasseurs de matière noire. Mais bien que le concept du disque sombre ait perdu de sa popularité, il n'a jamais été complètement abandonné. Plus récemment, l'idée a trouvé un grand fan de Lisa Randall, professeur de physique à l'Université Harvard, qui a sorti la théorie du disque de l'oubli scientifique et l'a poussée au centre de la scène galactique.
Ayant proposé leur modèle en 2013, Randall et ses collègues ont depuis fait valoir que le disque sombre pouvait expliquer les rayons gamma émanant du centre galactique, la distribution plate des galaxies naines en orbite autour de la nébuleuse d'Andromède et de la Voie lactée, et même les chutes de comètes périodiques et les extinctions de masse. espèces sur Terre. Elle a écrit à ce sujet dans son livre scientifique populaire Dark Matter and the Dinosaurs, publié en 2015.
Cependant, les astrophysiciens qui inventorient la Voie lactée ont protesté, arguant que la masse totale de la galaxie et les sauts de ses étoiles correspondent trop bien, ne laissant aucune place à un disque sombre. «C'est beaucoup plus serré que Lisa Randall ne le pense», déclare Jo Bovy, astrophysicien à l'Université de Toronto.
Maintenant, Randall, qui a développé un certain nombre de grandes idées sur des questions critiques de la physique fondamentale, riposte. Dans un article mis en ligne la semaine dernière et accepté pour publication dans The Astrophysical Journal, Randall et son élève Eric Kramer ont trouvé une faille en forme de disque dans leur analyse de la Voie lactée: «Il y a un détail important que nous avons encore n'ont pas encore prêté attention, écrivent-ils. "Le disque peut créer de l'espace pour lui-même."
Si un disque sombre traverse le plan médian de la galaxie, affirment Randall et Kramer, alors la gravité attire le reste de la matière vers l'intérieur, entraînant une augmentation de la densité des étoiles, du gaz et de la poussière dans le plan médian. Les scientifiques calculent généralement la masse apparente totale de la Voie lactée en extrapolant vers l'extérieur en fonction de la densité du plan médian. S'il y a un effet de constriction, cette extrapolation conduira à une exagération de la masse apparente, et alors on aura le sentiment que la masse correspond au mouvement des étoiles. Pour cette raison, les auteurs des études précédentes n'ont pas vu de preuve d'un disque sombre, dit Kramer. Avec Randall, ils croient qu'un disque mince et sombre est possible et que, à certains égards, sa présence est préférable à son absence.
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«Le travail de Lisa a relancé cette entreprise», déclare Chris Flynn de l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie. Lui, avec Johan Holmberg (Johan Holmberg) au début des années 2000 a mené plusieurs "inventaires" de la Voie lactée, qui semblaient détruire complètement toutes les possibilités d'existence d'un disque noir.
Bowie n'est pas d'accord. Même si l'on prend en compte l'effet de rétrécissement, selon son estimation, pas plus de 2% de la quantité totale de matière noire ne peut se trouver dans le disque noir, tandis que le reste de la matière devrait former un halo. «Je pense que la plupart des gens veulent comprendre ce qu'est 98% de la matière noire, pas 2%», dit-il.
Ce débat, comme le sort du disque noir, pourrait bientôt être résolu. Le satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne télescope actuellement les positions et les vitesses d'un milliard d'étoiles, et un registre définitif de la Voie lactée pourrait être achevé d'ici la fin de l'été prochain.
Jeune amas de galaxies Abell 2151 dans la constellation d'Hercule
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Enquête Fujii / Digitized Sky 2
Ouvrir un disque sombre de n'importe quelle taille serait extrêmement révélateur. Si elle existe, la matière noire se révélera beaucoup plus complexe que les scientifiques ne l'ont longtemps cru. La matière ne prend la forme d'un disque que si elle a la capacité d'émettre de l'énergie, et la meilleure façon d'émettre suffisamment d'énergie est de former des atomes. L'existence d'atomes sombres signifierait que les protons sombres et les électrons sombres, chargés comme des protons et des électrons visibles, interagissent les uns avec les autres à travers la force sombre transmise par les photons sombres. Même si 98% de la matière noire est inerte et forme un halo, l'existence du disque noir le plus fin signifierait la présence d'un «secteur sombre» de particules inconnues, aussi diverses que l'Univers visible.
«La matière ordinaire est assez complexe; il y a de la matière qui joue un rôle dans les atomes, et il y a de la matière qui ne joue pas, dit l'astrophysicien de l'Université de Californie à Irvine, James Bullock. "Par conséquent, il ne serait pas fou d'imaginer que les autres cinq sixièmes de la matière dans l'Univers sont également assez complexes, et qu'il y a une certaine partie de ce secteur sombre qui existe sous la forme d'atomes liés."
Le concept de la complexité de la matière noire a récemment trouvé de plus en plus de partisans, aidés par des anomalies astrophysiques qui ne cadrent pas vraiment avec l'idée de la matière noire en tant que particules massives passives, lentes et «à faible interaction». Ces anomalies, ainsi que le fait qu'au cours d'expériences détaillées dans différents pays du monde, ces particules lourdes à faible interaction (WIMP) n'ont jamais été détectées, ont affaibli cette théorie et ont marqué le début d'une nouvelle ère dans laquelle n'importe qui peut spéculer pour une telle bête - matière noire.
Cette ère est arrivée en 2008, lorsque les participants à l'expérience PAMELA ont découvert un excès de positrons provenant de l'espace (par rapport aux électrons). Cette asymétrie a alimenté l'intérêt pour le modèle désormais populaire de «matière noire asymétrique» proposé par Kathryn Zurek et ses collègues. Il y avait peu d'idées en circulation à l'époque, à part le concept de wimps. «Il y avait des modélisateurs comme moi qui ont compris que l'idée de matière noire était complètement sous-développée dans ce sens», explique Tsurek, qui travaille maintenant au Laboratoire national. Lawrence Berkeley en Californie. «Nous avons donc plongé dans ce travail tête baissée.»
La densité des galaxies naines était un autre stimulant. Lorsque les scientifiques tentent de modéliser leur formation, les galaxies naines ont tendance à être trop denses en leur centre, à moins que les scientifiques ne supposent que les particules de matière noire peuvent interagir les unes avec les autres en utilisant les forces obscures. Mais si nous ajoutons ici une interaction trop forte, alors nous détruisons les modèles de formation de structure dans l'Univers primitif.
«Nous essayons de comprendre ce qui peut être toléré», explique Bullock, qui conçoit également ces modèles. La plupart des modélisateurs permettent des interactions faibles qui n'affectent pas la forme du halo de matière noire. «Mais ce qui est remarquable, c'est qu'il existe une classe de matière noire qui permet aux disques de se former», déclare Bullock. Dans ce cas, seule une infime fraction des particules de matière noire interagira, mais elles interagiront suffisamment fortement pour dissiper l'énergie et former ensuite des disques.
Randall et ses collègues JiJi Fan, Andrey Katz et Matthew Reece ont eu l'idée en 2013 de la même manière que Oort. Ils ont essayé d'expliquer l'anomalie apparente de la Voie lactée. La ligne dite de Fermi est un excès de rayons gamma d'une certaine fréquence provenant du centre galactique. "La matière noire ordinaire ne pouvait pas détruire suffisamment pour produire la ligne de Fermi", dit Randall, "et nous avons donc pensé, et si elle était beaucoup plus dense?" Le disque sombre a donc une seconde vie. La ligne Fermi a disparu au fur et à mesure que davantage de données émergeaient, mais l'idée de disque valait toujours la peine d'être explorée. En 2014, Randall et Rees ont suggéré que c'est précisément à cause du disque qu'il y a des intervalles de 30 à 35 millions d'années entre l'activité croissante des comètes et des météores.que certains scientifiques associent à des extinctions de masse périodiques. Chaque fois que le système solaire rebondit sur le manège de la Voie lactée, disent-ils, l'effet gravitationnel du disque pourrait déstabiliser les astéroïdes et les comètes dans le nuage d'Oort, un dépotoir à la périphérie de notre système solaire nommé d'après un astronome hollandais. Ces objets volent vers la partie interne du système solaire et certains tombent sur Terre.
Mais Randall et son équipe n'ont fait qu'une analyse superficielle et, en fin de compte, une analyse incorrecte de la quantité de place restante dans la masse totale de la Voie lactée pour le disque sombre, selon le mouvement des étoiles. «Ils ont fait des déclarations scandaleuses», a déclaré Bovey.
Randall, connue parmi ses pairs pour sa ténacité (selon Rhys), a amené Kramer dans l'affaire pour répondre aux critiques et «aplanir toutes les rides» de l'analyse avant que les données de Gaia ne soient disponibles. Une nouvelle analyse a montré qu'une fois qu'un disque sombre existait, il ne pouvait pas être aussi dense que son équipe le croyait initialement. Mais il y avait de la place pour un mince disque sombre, en raison de son effet de rétrécissement et de l'incertitude supplémentaire causée par la pure dérive des étoiles dans la Voie lactée observée.
Chris McKee et ses collègues de l'Université de Californie à Berkeley ont identifié un nouveau problème, sur lequel ils ont écrit dans The Astrophysical Journal. McKee pense qu'un disque mince et sombre pourrait encore se faufiler dans le stockage de masse de la Voie lactée. Mais ce disque peut être si fin qu'il s'effondre simplement. Citant des recherches des années 1960 et 1970, McKee et ses collègues écrivent que les disques ne peuvent pas être beaucoup plus minces que le disque de gaz visible dans la Voie lactée, car ils s'effondreraient. «Peut-être que la matière noire a des propriétés qui sont différentes des propriétés de la matière ordinaire et empêchent cela, mais je ne sais pas ce que cela pourrait être», a déclaré McKee.
Randall n'a pas encore repoussé cette dernière attaque, la qualifiant de "question délicate actuellement à l'étude". Elle était également d'accord avec l'opinion exprimée par Bowie - selon laquelle le disque d'atomes noirs chargés est insignifiant par rapport à la nature de 98% de la matière noire. Elle explore maintenant la possibilité que toute la matière noire puisse être chargée d'une seule force sombre, mais en raison de l'excès de protons sombres sur les électrons sombres, seule une infime fraction est liée aux atomes et transportée dans le disque. Dans ce cas, le disque et le halo doivent être composés des mêmes éléments, «ce qui serait plus économique», précise-t-elle. "Nous pensions que cela pouvait être exclu, mais cela n'a pas fonctionné."
Jusqu'à présent, le disque noir vit - en tant que symbole de tout ce qui est inconnu sur le côté obscur de l'univers. «Je pense qu'il est très, très utile dans ce domaine que différentes personnes examinent des idées différentes», déclare Bullock. "Parce que nous n'avons aucune idée de ce que c'est - de la matière noire, et nous devons être préparés à une variété d'options."