À quelle vitesse la matière noire près de la Terre se déplace-t-elle rapidement ? La vitesse de la matière noire a des conséquences de grande envergure pour la recherche astrophysique moderne, mais cette propriété fondamentale a échappé aux chercheurs pendant des années.

Dans un article publié le 22 janvier dans la revue Lettres d'examen physique , une équipe internationale d'astrophysiciens a fourni le premier indice :la solution à ce mystère, il s'avère, fait partie des étoiles les plus anciennes de la galaxie.

"Essentiellement, ces vieilles étoiles agissent comme des compteurs de vitesse visibles pour la matière noire invisible, mesurer sa distribution de vitesse près de la Terre, " dit Mariangela Lisanti, professeur adjoint de physique à l'Université de Princeton. "Vous pouvez considérer les étoiles les plus anciennes comme un traceur lumineux de la matière noire. La matière noire elle-même, nous ne la verrons jamais, parce qu'il n'émet pas de lumière à un degré observable - c'est juste invisible pour nous, c'est pourquoi il a été si difficile de dire quoi que ce soit de concret à ce sujet."

Afin de déterminer quelles étoiles se comportent comme les particules de matière noire invisibles et indétectables, Lisati et ses collègues se sont tournés vers une simulation informatique, Éris, qui utilise des superordinateurs pour reproduire la physique de la galaxie de la Voie lactée, y compris la matière noire.

"Notre hypothèse était qu'il existe un sous-ensemble d'étoiles qui, pour certaines raisons, correspondra aux mouvements de la matière noire, " a déclaré Jonas Herzog-Arbeitman, un premier cycle et un co-auteur sur le papier. Son travail avec Lisati et ses collègues l'été suivant sa première année à Princeton est devenu l'un de ses papiers juniors et a contribué à cet article de journal.

Herzog-Arbeitman et Lina Necib au California Institute of Technology, un autre co-auteur sur le papier, généré de nombreux tracés à partir des données d'Eris qui comparaient diverses propriétés de la matière noire aux propriétés de différents sous-ensembles d'étoiles.

Leur grande percée s'est produite lorsqu'ils ont comparé la vitesse de la matière noire à celle des étoiles avec différentes "métallicités, " ou les rapports des métaux lourds aux éléments plus légers.

La courbe représentant la matière noire s'accordait magnifiquement avec les étoiles qui ont le moins de métaux lourds :"Nous avons tout vu s'aligner, " a déclaré Lisanti.

"C'était l'un de ces excellents exemples d'une idée assez raisonnable qui fonctionnait sacrément bien, ", a déclaré Herzog-Arbeitman.

Les astronomes savent depuis des décennies que la métallicité peut servir d'indicateur de l'âge d'une étoile, puisque les métaux et autres éléments lourds se forment dans les supernovas et les fusions d'étoiles à neutrons. Les petites galaxies qui ont fusionné avec la Voie lactée ont généralement comparativement moins de ces éléments lourds.

En rétrospective, la corrélation entre la matière noire et les étoiles les plus anciennes ne devrait pas être surprenante, dit Nécib. "La matière noire et ces vieilles étoiles ont les mêmes conditions initiales :elles ont commencé au même endroit et elles ont les mêmes propriétés... donc en fin de compte, il est logique qu'ils soient tous les deux agis uniquement par gravité, " elle a dit.

Pourquoi est-ce important

Depuis 2009, les chercheurs ont essayé d'observer directement la matière noire, en mettant un matériau très dense – souvent du xénon – profondément sous terre et en attendant que la matière noire qui traverse la planète interagisse avec elle.

Lisati a comparé ces expériences de « détection directe » à un jeu de billard :« Lorsqu'une particule de matière noire se disperse d'un noyau dans un atome, la collision est similaire à celle de deux boules de billard qui se heurtent. Si la particule de matière noire est beaucoup moins massive que le noyau, alors le noyau ne bougera pas beaucoup après la collision, ce qui rend vraiment difficile de remarquer que quelque chose s'est passé."

C'est pourquoi la limitation de la vitesse de la matière noire est si importante, elle a expliqué. Si les particules de matière noire sont à la fois lentes et légères, ils pourraient ne pas avoir assez d'énergie cinétique pour déplacer les "boules de billard" nucléaires, même s'ils en font un.

"Mais si la matière noire entre en mouvement plus vite, il va avoir plus d'énergie cinétique. Cela peut augmenter les chances que dans cette collision, le recul du noyau va être plus important, pour que tu puisses le voir, " a déclaré Lisanti.

Initialement, les scientifiques s'attendaient à voir suffisamment d'interactions de particules – suffisamment de boules de billard en mouvement – ​​pour pouvoir dériver la masse et la vitesse des particules de matière noire. Mais, Lisanti a dit, "Nous n'avons encore rien vu."

Ainsi, au lieu d'utiliser les interactions pour déterminer la vitesse, des chercheurs comme Lisanti et ses collègues espèrent renverser le scénario, et utilisez la vitesse pour expliquer pourquoi les expériences de détection directe n'ont encore rien détecté.

L'échec, du moins jusqu'à présent, des expériences de détection directe soulève deux questions, dit Lisanti. « Comment vais-je jamais savoir quelle est la vitesse de ces choses ? » » et « N'avons-nous rien vu parce qu'il y a quelque chose de différent dans la distribution de la vitesse que ce à quoi nous nous attendions ?

Avoir un moyen complètement indépendant de calculer la vitesse de la matière noire pourrait aider à faire la lumière sur cela, elle a dit. Mais si loin, ce n'est que théorique. L'astronomie du monde réel n'a pas rattrapé la richesse des données produites par la simulation Eris, donc Lisanti et ses collègues ne savent pas encore à quelle vitesse les plus anciennes étoiles de notre galaxie se déplacent.

Heureusement, ces informations sont actuellement rassemblées par le télescope Gaia de l'Agence spatiale européenne, qui scrute la Voie lactée depuis juillet 2014. Jusqu'à présent, des informations sur seulement un petit sous-ensemble d'étoiles ont été publiées, mais l'ensemble de données complet comprendra beaucoup plus de données sur près d'un milliard d'étoiles.

"La richesse des données à l'horizon des relevés stellaires actuels et à venir offrira une opportunité unique de comprendre cette propriété fondamentale de la matière noire, " a déclaré Lisanti.