Débats intenses sur la théorie du disque de matière noire

Dans notre ère dominée par la recherche de la matière noire, une idée controversée selon laquelle la matière noire est concentrée en des disques revient en force avec l’aide de scientifiques comme Lisa Randall.


La cellule Syn3.0 contient le nombre minimal de gènes nécessaires pour la vie
La cellule Syn3.0 contient le nombre minimal de gènes nécessaires pour la vie

Traduction de l’article original sur Quanta Magazine

En 1938, l’astronome néerlandais Jan Oort a analysé les étoiles de la et il a découvert qu’elles sont insuffisantes pour expliquer la formation d’une galaxie. En remarquant le mouvement des étoiles qui s’abaissent et se relèvent à la manière des chevaux d’un manège, Oort a calculé qu’il y avait le double de la force gravitationnelle par rapport à ce qu’on pouvait voir. Il a émis l’hypothèse de la présence d’une matière invisible pour compenser la différence en ajoutant que cette matière invisible doit se concentrer en des disques pour expliquer le mouvement des étoiles.

De l’idée de Jan Oort au disque de de Lisa Randall

Mais la vraie paternité pour la découverte de la matière noire, la chose invisible et inconnue qui compose 5/6 de l’univers, revient à l’astronome américano-suisse, Fritz Zwicky, qui a prédit son existence en se basant sur les mouvements relatifs des galaxies en 1933. La théorie d’Oort perdait du terrain. En 2000, on a déterminé que les observations d’Oort sur la masse manquante correspondaient à des étoiles de faible luminosité, de la poussière et du gaz et qu’il n’y avait pas un prétendu disque avec une matière invisible. Depuis 8 ans, la plupart des théories sur la matière noire suggèrent qu’elle forme des halos sphériques autour des galaxies. Et les chasseurs de la matière noire acceptent l’idée de ces halos.

Mais la théorie du disque n’a pas été complètement oubliée. Et récemment, elle est promue par une championne de la en la personne de Lisa Randall, professeure de physique à l’université d’Harvard. Lisa Randall a ramené le disque de matière noire de son néant au-devant de la scène galactique. Depuis qu’ils ont proposé leur modèle en 2013 (PDF), Randall et ses collaborateurs prétendent qu’un disque de matière noire explique les rayons gamma qui viennent du centre de la galaxie, la distribution planaire des galaxies naines (Lien vers le papier complet via Sci-Hub) qui orbite autour de la galaxie d’Andromède et de la Voie lactée et même des événements catastrophiques tels que l’impact des comètes et des extinctions de masse. En 2015, Randall a écrit un livre de vulgarisation scientifique. Dans ce livre, elle met l’hypothèse farfelue que la matière noire a exterminé les dinosaures. Randall a fait exprès de mettre cette théorie dans son livre pour intéresser le public.

Les concepts du disque de matière noire

Mais les astrophysiciens, qui recensent la Voie lactée, ont protesté de toutes leurs forces. Ils estiment que la masse totale de la galaxie et les mouvements bondissants des étoiles ne sont pas suffisants pour laisser de la place à un disque de matière noire. L’espace dans la galaxie est bien plus limité que la théorie de Lisa Randall selon Jo Bovy, un astrophysicien de l’université de Toronto. Mais Randall, qui travaille sur plusieurs idées fondamentales de la physique telles que la gravitation quantique à boucle ou la fameuse théorie du tout, ne veut pas se laisser faire. La semaine dernière, elle a publié un papier sur arXiv qui a été accepté dans la revue Astrophysical Journal. Randall et son étudiant, Éric Kramer, rapportent une faille sous la forme d’un disque dans l’analyse du recensement de la Voie lactée. C’est un détail important qui a été négligé. Le disque peut créer de l’espace par ses propres moyens.

Lisa Randall, l'une des principales partisanes de la théorie d'un disque de matière noire

Lisa Randall, l’une des principales partisanes de la théorie d’un disque de matière noire

S’il y a un disque de matière noire à travers le médian de la galaxie, alors il va pousser les autres matières vers l’intérieur selon Randall et Kramer. Le résultat est qu’on aura une densité plus élevée d’étoiles, de gaz et de poussière dans le médian par rapport à la partie supérieure et inférieure. En général, les chercheurs calculent la masse totale visible de la Voie lactée en extrapolant la partie extérieure de la densité du médian. S’il y a un effet de pincement, alors cette extrapolation mène vers une surestimation de la masse visible. Cela nous donne la fausse impression que la masse correspond au mouvement des étoiles. C’est pourquoi de nombreuses études n’ont pas vu la preuve d’un disque de matière noire selon Kramer. Ce dernier et Randall ont trouvé qu’un disque de matière noire est possible en refaisant l’analyse.

Les travaux de Lisa ont rouvert le dossier selon Chris Flynn de la Swinburne University of Technology à Melbourne. Avec Jonathan Holmberg, ce chercheur avait quasiment infirmé la présence d’un disque de matière noire (Lien vers le papier complet via Sci-Hub) dans la Voie lactée. Bovy n’est pas d’accord. Même en prenant compte l’effet de pincement, il estime que seuls 2 % de matière noire peuvent être sur le disque et le reste doit former un halo. Je pense que la plupart des gens veulent trouver 98 % de la matière noire et ils s’en fichent des 2 %. Mais ce débat pourrait être clos dans un avenir proche. Le satellite Gaia de l’Agence Spatiale Européenne analyse actuellement la position et la vélocité d’un milliard d’étoiles et on pourra avoir un recensement total de la Voie lactée dès l’été prochain.

Des particules noires pour expliquer la nature de la matière noire ?

La découverte d’un disque de matière noire, de n’importe quelle taille, serait une énorme révélation. S’il existe, alors la matière noire est plus complexe que ce qu’on pensait auparavant. La matière peut uniquement former un disque si elle est capable de répandre de l’énergie. Et c’est uniquement possible si cette matière est capable de former des atomes. Des atomes noirs impliquent des protons et des électrons noirs qui sont chargés de la même manière que les protons et les électrons visibles. Chacun interagirait avec une force noire qui serait transportée par des photons noirs. Même si 98 % de la matière noire est inerte et forme des halos, l’existence d’un disque impliquerait un secteur noir entier de particules inconnues qui seraient aussi diverses que celles de l’univers visible. La matière normale est très complexe. Il y a des choses qui jouent un rôle dans les atomes et d’autres qui ne font rien selon James Bullock, un astrophysicien de l’université de Californie. Et ce n’est pas insensé d’imaginer que le 5/6 de l’univers composé d’une matière invisible soit aussi très complexe.

James Bullock voit la matière noire comme quelque chose de plus complexe, mais pas nécessairement sous la forme d'un disque

James Bullock voit la matière noire comme quelque chose de plus complexe, mais pas nécessairement sous la forme d’un disque

La matière noire est-elle plus complexe ? C’est une idée qui est de plus en plus envisagée quand on remarque certaines anomalies qui ne correspondent pas avec le profil d’une matière noire passive composée de ce qu’on appelle les Weakly interacting massive particles (qu’on peut traduire par particules massives d’interaction faible ou WIMPs). Pour l’anecdote, le terme anglais WIMP est aussi utilisé pour désigner une mauviette. Ces anomalies en plus de l’incapacité à détecter ces WIMPs, par de nombreuses expériences à travers le monde, nous mènent vers une ère où tout le monde peut émettre son idée sur la nature de la matière noire.

À la recherche de nouvelles théories sur la matière noire

Et cela a commencé à bouillir autour de 2008 lorsqu’une expérience appelée PAMELA a détecté un surplus de positrons sur des électrons provenant de l’espace. Une asymétrie qui a alimenté l’intérêt pour une matière noire asymétrique (PDF) qui est désormais un modèle populaire proposé par Kathryn Zurek et ses collaborateurs. Dans le même temps, d’autres idées, différentes des WIMPs, sont en train d’émerger. On a eu des architectes avec de nouveaux modèles, comme moi, qui ont compris que la recherche sur la matière noire manquait cruellement de nouvelles directions selon Zurek et nous nous sommes engouffrés dans cette brèche.

Un autre déclencheur est la densité des galaxies naines. Quand les chercheurs tendent de simuler leur formation, les galaxies naines semblent également denses dans leur centre. Et c’est un mystère à moins qu’on suppose que les particules de matière noire interagissent avec d’autres via des forces noires. Mais on ne peut pas ajouter trop d’interactivité, car vous risquez de salir les simulations sur la formation de l’univers jeune selon Bullock qui construit de telles simulations. On essaie de chercher dans la limite de ce qui est permis. La plupart des modeleurs ajoutent des interactions faibles qui n’affectent pas la forme de halo de la matière noire. Mais il y a une classe de matière noire qui permet la création de disques. Et dans ce cas, seule une petite fraction de particules de matière noire interagit, mais ces interactions sont suffisamment fortes pour dissiper l’énergie et former des disques.

L’effet du disque de matière noire sur le Nuage d’Oort

Randall et ses collaborateurs, JiJi Fan, Andrey Katz et Matthew Reece, sont arrivés à cette idée en 2013 en prenant le même chemin qu’Oort. Ils tentaient d’expliquer une anomalie de la Voie lactée. Connue comme la ligne de Fermi, elle consistait en un excès de rayons gamma d’une certaine fréquence qui provient du centre de la galaxie. La matière noire ordinaire ne serait pas suffisante pour produire la ligne de Fermi selon Randall. Et qu’est-ce qui est plus dense ? Et ils ont pensé à un disque de matière noire. La ligne de Fermi a disparu avec de nouvelles collectes de données, mais le disque noir méritait une exploration. En 2014, Randall et Reece ont émis l’hypothèse que le disque noir peut expliquer des intervalles de -30 millions à 35 millions d’années entre l’activité des météores et des comètes. Un signal statistique très faible que certains scientifiques ont tenté d’associer aux extinctions de masse. À chaque fois que le système solaire fait des sauts à travers le disque de matière noire dans le manège de la Voie lactée, l’effet gravitationnel du disque peut déstabiliser les roches et les comètes dans le nuage d’Oort. Le nuage d’Oort est un grand ensemble sphérique composé de comètes et de roches dans les confins du système solaire et il a été nommé en hommage à Jan Oort. Des objets se détacheraient de ce nuage, viendraient dans le système solaire, et certains d’entre eux frapperaient la Terre.

Mais Randall et son équipe ont fait une analyse superficielle et incorrecte sur l’espace du disque de matière noire par rapport à la masse totale de la Voie lactée. Cette analyse se base uniquement sur le mouvement des étoiles. Ils ont fait des prédictions choquantes sans aucune preuve selon Bovy. Randall s’accroche à son idée et elle a demandé l’aide de Kramer pour combattre toutes les critiques. Elle va combler toutes les failles avant la disponibilité des données de Gaia. Sa nouvelle analyse montre que le disque noir, s’il existe, ne peut pas être aussi dense que ses précédentes théories. Mais il y a de l’espace pour un disque noir qui serait très fin.

Le disque de matière noire n’est pas encore définitivement enterré

Mais il y a nouveau problème, soulevé par Chris McKee de la revue Astrophysical Journal. McKee concède qu’on peut glisser un disque fin dans la masse de la Voie lactée. Mais le disque serait si fin qu’il s’effondrerait. En citant des recherches des années 1960 et 1970, McKee et ses collègues prétendent que les disques ne peuvent pas être plus fins que le disque de gaz visible de la Voie lactée sinon ils se fragmenteraient. La seule manière de résoudre le problème est de considérer que la matière noire possède des propriétés qui empêchent l’effondrement, mais j’ignore la nature d’une telle propriété selon McKee.

Randall n’a pas encore paré à cette dernière attaque, la considérant comme un problème épineux, mais elle est en train d’y réfléchir. Elle soulève aussi le point soulevé par Bovy, qu’un disque d’atomes noirs chargés est non pertinent à côté de la nature des 98 % de la matière noire. Elle envisage la possibilité que toute la matière noire puisse être chargée sous la même force noire, mais à cause du surplus de protons noirs par rapport aux électrons noirs, seuls une fraction infime s’associe aux atomes et forme un disque. Dans ce cas, le disque et le halo sont composés des mêmes ingrédients.

Le disque de matière noire a survécu pour le moment et il symbolise tout ce qu’on ignore sur le côté noir de l’univers. Je pense qu’il est très intéressant pour ce domaine d’avoir des personnes qui pensent à toutes sortes d’idées. Car la seule vérité actuelle est que nous n’avons aucune foutue idée sur la nature de la matière noire et vous avez besoin d’avoir un esprit ouvert pour réfléchir aux solutions possibles.

 

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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