Les chercheurs ont développé un modèle mathématique décrivant le mouvement des particules de matière noire à l'intérieur des plus petits halos de galaxies. Ils ont observé qu'au fil du temps, la matière noire peut former des gouttelettes sphériques de condensat quantique. Précédemment, cela était considéré comme impossible, car les fluctuations du champ de gravité produit par les particules de matière noire ont été ignorées. L'étude est publiée dans Lettres d'examen physique .

La matière noire est une forme hypothétique de matière qui n'émet pas de rayonnement électromagnétique. Cette propriété rend même difficile de prouver son existence. La vitesse des particules de matière noire est faible, c'est pourquoi ils sont retenus par les galaxies. Ils interagissent les uns avec les autres et avec la matière ordinaire si faiblement que seul leur champ de gravité peut être détecté; autrement, la matière noire ne se manifeste en aucune façon. Chaque galaxie est entourée d'un halo de matière noire de taille et de masse beaucoup plus grandes.

La plupart des cosmologistes pensent que les particules de matière noire ont une masse importante, leur vitesse est donc élevée. Encore, dans les années 1980, les physiciens ont réalisé que dans des conditions particulières, ces particules peuvent être produites dans l'univers primitif avec une vitesse presque nulle, quelle que soit leur masse. Ils peuvent aussi être très légers. En conséquence, les distances auxquelles la nature quantique de ces particules devient apparente peuvent être énormes. Au lieu des échelles nanométriques habituellement nécessaires pour observer les phénomènes quantiques en laboratoire, l'échelle "quantique" de telles particules peut être comparable à la taille de la partie centrale de notre galaxie.

Les chercheurs ont observé que les particules de matière noire, s'il s'agit de bosons de masse suffisamment faible, peuvent former un condensat de Bose-Einstein dans les petits halos des galaxies ou dans des sous-structures encore plus petites en raison de leurs interactions gravitationnelles. De telles sous-structures comprennent des halos de galaxies naines, des systèmes de plusieurs milliards d'étoiles liées entre elles par des forces gravitationnelles, et les miniclusters - de très petits systèmes formés uniquement de matière noire. Le condensat de Bose-Einstein est un état de particules quantiques occupant le niveau d'énergie le plus bas, ayant la plus petite énergie. Un condensat de Bose-Einstein peut être produit en laboratoire à basse température à partir d'atomes ordinaires. Cet état de la matière présente des propriétés uniques, comme la superfluidité, la capacité de passer à travers de minuscules fissures ou capillaires sans friction. La matière noire légère dans la galaxie a une faible vitesse et une concentration élevée. Dans ces conditions, il devrait former à terme un condensat de Bose-Einstein. Mais pour que cela se produise, les particules de matière noire doivent interagir les unes avec les autres, mais pour autant que nous le sachions, ils n'interagissent que gravitationnellement.

« Dans notre travail, nous avons simulé le mouvement d'un gaz quantique de lumière, particules de matière noire en interaction gravitationnelle. Nous sommes partis d'un état virialisé avec un mélange maximal, qui est un peu à l'opposé du condensat de Bose-Einstein. Après une très longue période, 100, 000 fois plus long que le temps nécessaire à une particule pour traverser le volume de simulation, les particules forment spontanément un condensat, qui a immédiatement pris la forme d'une gouttelette sphérique, une star de Bose, sous l'effet de la gravité, " a déclaré l'un des auteurs, Dmitri Levkov, doctorat en physique, chercheur principal à l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie.

Dr Levkov et ses collègues, Alexander Panin et Igor Tkachov de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie des sciences de Russie, ont conclu que le condensat de Bose-Einstein peut se former dans les centres des halos des galaxies naines dans un laps de temps plus court que la durée de vie de l'univers. Cela signifie que les étoiles Bose pourraient actuellement exister.

Les auteurs ont été les premiers à observer la formation d'un condensat de Bose-Einstein à partir de matière noire légère dans des simulations informatiques. Dans les études numériques précédentes, le condensat était déjà présent à l'état initial, et les étoiles Bose en sont issues. Selon une hypothèse, le condensat de Bose aurait pu se former dans l'univers primitif bien avant la formation des galaxies ou des miniamas, mais il manque actuellement des preuves fiables pour cela. Les auteurs ont démontré que le condensat se forme au centre de petits halos, et ils prévoient d'étudier la condensation dans l'univers primitif dans d'autres études.

Les scientifiques soulignent que les étoiles de Bose pourraient être à l'origine de sursauts radio rapides qui n'ont actuellement aucune explication quantitative. Les particules légères de matière noire appelées « axions » interagissent très faiblement avec les champs électromagnétiques et peuvent se désintégrer en radiophotons. Cet effet est extrêmement faible, mais à l'intérieur de l'étoile Bose, il peut être amplifié par résonance, comme dans un laser, et pourrait conduire à des sursauts radio géants.

"La prochaine étape évidente est de prédire le nombre d'étoiles Bose dans l'univers et de calculer leur masse dans des modèles avec de la matière noire légère, " a conclu Dmitri Levkov.