Les astronomes ont proposé un nouveau modèle pour la matière invisible qui constitue la majeure partie de la matière de l'Univers. Ils ont étudié si une fraction des particules de matière noire pouvait avoir une petite charge électrique.

« Vous avez entendu parler des voitures électriques et des livres électroniques, mais maintenant nous parlons de matière noire électrique, " a déclaré Julian Munoz de l'Université Harvard à Cambridge, Masse., qui a dirigé l'étude publiée dans la revue La nature . "Toutefois, cette charge électrique est sur la plus petite des échelles."

Munoz et son collaborateur, Avi Loeb du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) à Cambridge, Masse., explorer la possibilité que ces particules de matière noire chargées interagissent avec la matière normale par la force électromagnétique.

Leur nouveau travail concorde avec un résultat récemment annoncé de la collaboration Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). En février, les scientifiques de ce projet ont déclaré avoir détecté la signature radio de la première génération d'étoiles, et des preuves possibles de l'interaction entre la matière noire et la matière normale. Certains astronomes ont rapidement contesté l'affirmation EDGES. Pendant ce temps, Munoz et Loeb examinaient déjà la base théorique qui la sous-tend.

« Nous sommes en mesure de raconter une histoire de physique fondamentale avec nos recherches, quelle que soit la façon dont vous interprétez le résultat EDGES, " dit Loeb, qui est le président du département d'astronomie de Harvard. "La nature de la matière noire est l'un des plus grands mystères de la science et nous devons utiliser toutes les nouvelles données connexes pour y faire face."

L'histoire commence avec les premières étoiles, qui émettait de la lumière ultraviolette (UV). Selon le scénario communément admis, cette lumière UV a interagi avec des atomes d'hydrogène froids dans le gaz situé entre les étoiles et leur a permis d'absorber le rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB), le rayonnement résiduel du Big Bang.

Cette absorption aurait dû conduire à une baisse d'intensité du CMB durant cette période, qui se produit moins de 200 millions d'années après le Big Bang. L'équipe EDGES a affirmé avoir détecté des preuves de cette absorption de la lumière CMB, bien que cela n'ait pas encore été vérifié de manière indépendante par d'autres scientifiques. Cependant, la température de l'hydrogène gazeux dans les données EDGES est d'environ la moitié de la valeur attendue.

"Si EDGES a détecté de l'hydrogène gazeux plus froid que prévu pendant cette période, qu'est-ce qui pourrait l'expliquer?" a déclaré Munoz. "Une possibilité est que l'hydrogène a été refroidi par la matière noire."

Au moment où le rayonnement CMB est absorbé, les éventuels électrons ou protons libres associés à la matière ordinaire se seraient déplacés à leur vitesse la plus lente possible (puisque plus tard ils ont été chauffés par les rayons X des premiers trous noirs). La diffusion des particules chargées est plus efficace à basse vitesse. Par conséquent, toute interaction entre la matière normale et la matière noire au cours de cette période aurait été la plus forte si certaines des particules de matière noire étaient chargées. Cette interaction provoquerait le refroidissement du gaz hydrogène car la matière noire est froide, laissant potentiellement une signature observationnelle comme celle revendiquée par le projet EDGES.

"Nous limitons la possibilité que les particules de matière noire portent une minuscule charge électrique - égale à un millionième de celle d'un électron - à travers des signaux mesurables de l'aube cosmique, " a déclaré Loeb. " Des charges aussi minuscules sont impossibles à observer même avec les plus gros accélérateurs de particules. "

Seules de petites quantités de matière noire avec une faible charge électrique peuvent à la fois expliquer les données EDGES et éviter un désaccord avec d'autres observations. Si la majeure partie de la matière noire est chargée, alors ces particules auraient été déviées des régions proches du disque de notre propre Galaxie, et empêché de rentrer. Cela contredit les observations montrant que de grandes quantités de matière noire sont situées à proximité du disque de la Voie lactée.

Les scientifiques savent d'après les observations du CMB que les protons et les électrons se sont combinés dans l'Univers primitif pour former des atomes neutres. Seule une petite fraction de ces particules chargées, environ un sur quelques milliers, resté libre. Munoz et Loeb envisagent la possibilité que la matière noire ait pu agir de la même manière. Les données de EDGES, et des expériences similaires, pourrait être le seul moyen de détecter les quelques particules chargées restantes, car la plupart de la matière noire serait neutre.

« L'espace des paramètres viables pour ce scénario est assez restreint, mais si confirmé par des observations futures, bien sûr, nous apprendrions quelque chose de fondamental sur la nature de la matière noire, l'une des plus grandes énigmes que nous ayons en physique aujourd'hui, ", a déclaré Cora Dvorkin de Harvard, qui n'était pas impliquée dans la nouvelle étude.

Lincoln Greenhill, également de la CfA, teste actuellement l'affirmation observationnelle de l'équipe EDGES. Il dirige le projet Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA), qui utilise le Long Wavelength Array à Owen's Valley en Californie et à Socorro, Nouveau Mexique.

Un article décrivant ces résultats paraît dans le 31 mai Numéro 2018 de la revue La nature .