De quoi est faite la matière noire ? C'est l'une des questions les plus complexes de l'astronomie moderne. Nous savons que la matière noire est là-bas, puisque nous pouvons voir son influence gravitationnelle évidente sur tout, des galaxies à l'évolution de l'univers entier, mais on ne sait pas ce que c'est. Notre meilleure supposition est que c'est une sorte de nouvelle particule étrange qui n'aime pas parler très souvent à la matière normale (sinon, nous l'aurions déjà vu). Une possibilité est qu'il s'agisse d'une sorte de particule hypothétique exotique connue sous le nom d'axion, et une équipe d'astronomes n'utilise rien d'autre que des trous noirs pour essayer d'avoir un aperçu de cette étrange nouvelle créature cosmique.

Agenda Axion

je vais être honnête avec toi, nous ne savons pas si les axions existent. Ils ont été inventés pour expliquer une énigme de la physique des hautes énergies. Il existe un certain type de symétrie dans la nature dans laquelle la commutation des charges électriques de toutes les particules dans une interaction aléatoire et l'exécution du processus dans le miroir produisent exactement le même résultat. C'est ce qu'on appelle la symétrie de charge et de parité, ou CP-symétrie pour faire court.

Cette symétrie tient partout dans la nature, sauf quand ce n'est pas le cas, comme dans le cas de la force nucléaire faible, qui est capable de violer cette symétrie quand bon lui semble.

L'énigme est que par tous les droits, la force nucléaire forte devrait violer cela, trop. Il y a des termes en mathématiques qui cassent très clairement la symétrie CP, et pourtant, nous ne voyons aucun signe de rupture de symétrie avec la force nucléaire forte dans aucune de nos expériences. Il faut donc qu'il se passe quelque chose pour restaurer cette symétrie alors qu'elle devrait être brisée.

La réponse - ou au moins une réponse potentielle - est un nouveau type de particule appelée l'axion. L'axion rétablit un certain équilibre dans la force (oui je connais le Guerres des étoiles référence, ici) afin que la symétrie CP soit préservée et que chacun puisse vaquer à ses occupations quotidiennes. Bien sûr, les expériences à ce jour n'ont pas directement révélé l'existence de l'axion, et il existe une gamme de masses et de propriétés possibles que l'axion pourrait avoir.

Dans cette plage de masses et de propriétés admissibles possibles de l'axion, quelque chose de remarquable se produit. Si nous voulons remplir l'univers de matière noire, que la matière noire doit avoir certaines propriétés. Il ne peut pas interagir très souvent avec la matière normale et il ne peut même pas interagir avec lui-même très souvent, Soit. Aussi, il doit y en avoir beaucoup, et il doit être très stable et de longue durée. Il s'avère qu'une partie de la gamme des propriétés possibles de l'axion fait de cette particule hypothétique un candidat pour la matière noire.

Les Axions Noirs

Si l'on considère que l'axion est de la matière noire, il peut généralement expliquer toutes les observations habituelles de matière noire. Cela peut expliquer les courbes de rotation à l'intérieur des galaxies. Il peut expliquer les mouvements des galaxies au sein des amas de galaxies. Il peut être fabriqué en abondance suffisante dans l'univers primitif pour s'adapter aux observations du fond diffus cosmologique. Etc.

Quoi de plus, les axions dans les noyaux des galaxies peuvent se regrouper suffisamment pour former une seule boule massive qui ressemblerait à première vue beaucoup à un trou noir supermassif. Ce serait petit, il n'interagirait pas avec la lumière, et ce serait incroyablement énorme. Alors que les récentes observations du télescope Event Horizon nous ont donné une image littérale d'un trou noir géant dans une autre galaxie, cela n'exclut pas nécessairement que ces noyaux d'axions se cachent toujours dans les profondeurs des galaxies à travers l'univers. Et c'est avec ces possibles noyaux d'axions que nous pourrons peut-être avoir une idée de leurs propriétés.

Les trous noirs sont la clé

Outre le télescope Event Horizon, nous n'avons pas d'observations directes de trous noirs supermassifs. Nous ne pouvons voir que la matière qui tourbillonne et bouillonne autour d'eux. Et d'après les propriétés de ce matériau, nous pouvons estimer la taille et la masse des trous noirs. Avec ces techniques, nous avons découvert une relation très étrange au fil des décennies :des galaxies plus massives hébergent des trous noirs plus massifs en leurs centres. Cette relation est en fait relativement étroite, et cela nous dit que les trous noirs co-évoluent d'une manière ou d'une autre avec leurs galaxies hôtes.

Mais comme je l'ai dit, nous ne pouvons pas observer les trous noirs directement. Ce ne sont donc peut-être pas du tout des trous noirs. Il pourrait s'agir de noyaux d'axions cachés au centre de ces galaxies. Si c'est le cas, alors ce n'est pas que les trous noirs ont co-évolué avec leurs galaxies hôtes, mais que les noyaux d'axions ont co-évolué avec leurs galaxies hôtes. Plus la galaxie est grande, plus il peut héberger de matière noire axionique, et plus le noyau axionique est gros au centre.

Cela signifie que nous pouvons utiliser la relation entre l'objet sombre central (que ce soit un trou noir ou un noyau d'axion) et la galaxie elle-même pour contraindre les propriétés des axions. Cela marche, parce que si vous commencez à jouer avec la masse des particules d'axion, cela affecte la facilité avec laquelle les axions peuvent s'agglutiner pour former un noyau, ce qui modifie la relation avec la galaxie hôte.

Une équipe d'astronomes a récemment utilisé la relation entre les trous noirs et les galaxies pour faire exactement cela, et ont pu placer des limites supérieures sur la masse des particules d'axions, qui aidera à guider les futures expériences et les recherches directes. L'axion est-il responsable de la matière noire dans l'univers ? Avec un peu de chance, nous pourrons un jour faire la lumière sur la situation.