La-matière-sombre.

 

Les questions ouvertes :

  1. De quoi s’agit-il ?

L’hypothèse la plus répandue et la mieux acceptée veut attribuer l’origine de cette matière invisible à une particule interagissant peu et dont la masse serait comprise entre dix et cent fois celle du proton.

  1. Peut-on la détecter directement ?

En principe oui, avec des détecteurs suffisamment sensibles et si on attend assez longtemps. Malheureusement, après plusieurs dizaines d’années de quête, aucun des détecteurs construits à ce jour n’a pu détecter le moindre signal.

  1. N’y aurait-il pas plusieurs constituants au lieu d’un seul ?

Il a effectivement été émis l’idée que la matière sombre pourrait très bien être représentée par divers porteurs : neutrinos, mini-trous noirs, axions, photons sombres, etc. Là encore, aucun résultat satisfaisant. L’hypothèse « neutrino » ne suffit pas, à elle seule, à expliquer la totalité de la masse sombre présente dans l’univers.

  1. Y-en-a-t-il autour de toutes les galaxies ?

Non ; par exemple la galaxie NGC 1052-DF2 semble ne pas en avoir du tout. Un résultat que contestent d’autres équipes en arguant du fait que la distance entre nous et cette étrange galaxie serait mal estimée, faussant du coup la conclusion qui en avait été tirée. L’absence de matière sombre autour de certaines galaxies, si elle était confirmée, ne ferait qu’épaissir un peu plus le mystère entourant ce sujet.

  1. La matière sombre est-elle porteuse d’une charge électrique ?

L’hypothèse a été suggérée. A ce jour, il n’y a pas d’expérience pour la confirmer

  1. Les particules ordinaires peuvent-elles se désintégrer en particules constituant la matière sombre ?

Là aussi : grand point d’interrogation ! L’idée est actuellement supportée par des expériences de désintégration du neutron en proton, électron, neutrino selon deux protocoles différents exhibant des durées différentes (un peu moins de dix secondes selon le protocole choisi). certaines équipes veulent y voir la preuve d’un processus de désintégration incluant indirectement une ou plusieurs particules constituant la masse sombre. Dark Matter Interpretation of the neutron Decay Anomaly, Phys. Rev. Lett. 120, 191801 (2018), published 9 May 2018.

  1. La matière sombre existe-t-elle vraiment ?

C’est la question ultime que posent certaines équipes. Elles ne mettent pas du tout en doute les mesures prouvant l’existence d’un problème dans la balance des masses. Elles suggèrent que l’explication serait à chercher ailleurs ; par exemple : dans des modifications encore mal comprises de la géométrie de l’espace-temps entourant les galaxies. Avec cet état d’esprit, elles invitent à réexaminer la théorie de la gravitation et à y apporter les modifications permettant d’expliquer les observations. Il est inutile de préciser que cette vision alternative déclenche des torrents de polémiques puisqu’elle suppose d’accepter de rediscuter l’œuvre maitresse qu’est la théorie d’A. Einstein.

A suivre …

© Thierry PERIAT, le 23 mars 2022.

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Matière sombre et trous noirs.

Depuis la découverte d’ondes gravitationnelles fin 2017 (LIGO), une idée interroge les esprits : « Et si la source de la matière sombre n’était rien d’autre que l’ensemble des trous noirs peuplant les galaxies ? » Le débat, comme à l’accoutumée, fait rage mais quoiqu’il en soit, une étude récente vient limiter les espoirs ardents des supporters de cette thèse.

L’idée avancée (les trous noirs sont la source de la matière sombre) repose sur un certain nombre de connaissances acquises. Premièrement, il faut peu de chose pour qu’un trou noir apparaisse dans l’univers primordial ; précisément : une densité volumique de matière (d’énergie) deux fois supérieure à la moyenne ambiante. Malheureusement, les mesures des variations de la variation des densités énergétiques fournies par l’observation du bruit de fond des micro-ondes cosmiques exhibent une uniformité laissant peu d’espoir, au moins en ce qui concerne les échelles macroscopiques. En clair, si ces mesures sont représentatrices de la réalité jusqu’aux échelles de longueur les plus petites, il est hors de question que des trous noirs aient pu se former dans l’univers primordial.

Par conséquent, cette piste reste seulement acceptable s’il existe des zones dont les dimensions ne sont pas accessibles à nos instruments d’observation actuels mais dans lesquelles de fortes fluctuations énergétiques peuvent apparaitre.

Les chercheurs ont donc imaginé des modèles théoriques. Ils constituent la famille des scénarios d’inflation dits hybrides. Ils respectent les observations du fond cosmique tout en autorisant la création d’un grand nombre de micro-trous noirs primordiaux. Leurs avantages ?

(i) Expliquer le grand nombre de trous noirs supermassifs observés aux grandes distances dans la gamme X ;

(ii) justifier les fluctuations observées dans le fond cosmique infra-rouge… mais ce deuxième point constitue un raisonnement circulaire puisqu’il faut des fluctuations pour que naissent des trous noirs : le vieux problème irrésolu de la poule et de l’œuf !

(iii) leur nombre est suffisant (estimation : un milliard rien que dans notre galaxie) pour expliquer la quantité de matière sombre aujourd’hui présente dans l’univers… mais ce troisième argument ressemble à une autojustification des modèles proposés puisqu’on sait comment il est possible de contraindre les modèles à partir de données expérimentales. Pour autant les détections réalisées par LIGO semblent être un argument en faveur d’une importante population de trous noirs d’une masse de l’ordre de dix masses solaires. Cela suffirait-il à expliquer la quantité de masse sombre observée ?

Les débats vont bon train. Des calculs récents montrent que si la masse des trous noirs était comprise entre dix et trois cents masses solaires, LIGO aurait déjà dû en repérer des centaines de fois plus… Ce qui semble indiquer, inversement, que cette catégorie de trous noirs ne rend actuellement compte que d’un pour cent de la masse sombre. Des mécanismes expliquant ce faible taux sont à l’étude [3]. Les effets de lentille gravitationnelle qui seraient par exemple induits par le passage d’un trou noir entre la Terre et une étoile fait également l’objet de recherches. Elles indiquent que la séduisante idée initiale consistant à associer matière sombre et trous noirs s’accompagne de très fortes contraintes.

In fine, si les trous noirs sont bien une source pour la matière sombre, ils ne peuvent rendre compte que d’une partie seulement de ce mystérieux ingrédient.

© Thierry PERIAT, 7 mars 2019

Bibliographie

[1]              PandaX-II Collaboration, “Dark Matter Results From 54-Ton-Day Exposure of PandaX-II Experiment,” Phys. Rev. Lett. 119, 181302 (2017).

[2]              XENON Collaboration, “First Dark Matter Results from the XENON1T Experiment,” Phys. Rev. Lett. 119, 181301 (2017).

[3]              “Strong constraints on clustered primordial black holes as dark matter,” arXiv:1808.05910.

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Date de dernière mise à jour : 23/03/2022

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