La force gravitationnelle dans l'Univers sous laquelle il a évolué d'un état presque uniforme au Big Bang jusqu'à maintenant, quand la matière est concentrée dans les galaxies, étoiles et planètes, est fournie par ce qu'on appelle la « matière noire ». nous ne savons presque rien de sa nature, comportement et composition, qui est l'un des problèmes fondamentaux de la physique moderne. Dans un article récent de Lettres d'astronomie et d'astrophysique , scientifiques de l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)/Université de La Laguna (ULL) et de l'Université nationale du nord-ouest de la province de Buenos Aires (Junín, Argentine) ont montré que la matière noire dans les galaxies suit une distribution « d'entropie maximale », qui éclaire sa nature.

La matière noire représente 85 % de la matière de l'Univers, mais son existence n'apparaît qu'à des échelles astronomiques. C'est-à-dire, en raison de sa faible interaction, l'effet net ne peut être remarqué que lorsqu'il est présent en quantités énormes. Comme il ne refroidit que difficilement, les structures qu'il forme sont généralement beaucoup plus grandes que les planètes et les étoiles. Comme la présence de matière noire n'apparaît qu'à grande échelle, la découverte de sa nature doit probablement être faite par des études astrophysiques.

Entropie maximale

Dire que la distribution de la matière noire s'organise selon l'entropie maximale (qui équivaut au « désordre maximum » ou à « l'équilibre thermodynamique ») signifie qu'elle se trouve dans son état le plus probable. Pour atteindre ce «désordre maximal», la matière noire a dû entrer en collision en elle-même, tout comme les molécules de gaz, de manière à atteindre un équilibre dans lequel sa densité, pression, et la température sont liés. Cependant, on ne sait pas comment la matière noire a atteint ce type d'équilibre.

"Contrairement aux molécules de l'air, par exemple, parce que l'action gravitationnelle est faible, les particules de matière noire devraient à peine entrer en collision les unes avec les autres, de sorte que le mécanisme par lequel ils atteignent l'équilibre est un mystère, " dit Jorge Sánchez Almeida, un chercheur de l'IAC qui est le premier auteur de l'article. "Cependant, s'ils se heurtaient, cela leur donnerait une nature très spéciale, qui résoudrait en partie le mystère de leur origine, " il ajoute.

L'entropie maximale de la matière noire a été détectée dans les galaxies naines, qui ont un rapport matière noire/matière totale plus élevé que les galaxies plus massives, il est donc plus facile de voir l'effet en eux. Cependant, les chercheurs s'attendent à ce qu'il s'agisse d'un comportement général dans tous les types de galaxies.

L'étude implique que la distribution de la matière à l'équilibre thermodynamique a une densité centrale beaucoup plus faible que les astronomes ont supposée pour de nombreuses applications pratiques, comme dans l'interprétation correcte des lentilles gravitationnelles, ou lors de la conception d'expériences pour détecter la matière noire par son auto-annihilation.

Cette densité centrale est fondamentale pour l'interprétation correcte de la courbure de la lumière par les lentilles gravitationnelles :si elle est moins dense, l'effet de la lentille est moindre. Pour utiliser une lentille gravitationnelle pour mesurer la masse d'une galaxie, il faut un modèle, si ce modèle est changé, la mesure change.

La densité centrale est également très importante pour les expériences qui tentent de détecter la matière noire en utilisant son auto-annihilation. Deux particules de matière noire pourraient interagir et disparaître dans un processus hautement improbable, mais qui serait caractéristique de leur nature. Pour que deux particules interagissent, elles doivent entrer en collision. La probabilité de cette collision dépend de la densité de la matière noire; plus la concentration de matière noire est élevée, plus la probabilité que les particules entrent en collision est élevée.

"Pour cette raison, si la densité change, le taux de production attendu des auto-annihilations changera également, et étant donné que les expériences sont conçues sur la prédiction d'un taux donné, si ce taux était très faible, il est peu probable que l'expérience donne un résultat positif, " dit Sánchez Almeida.

Finalement, l'équilibre thermodynamique de la matière noire pourrait également expliquer le profil de luminosité des galaxies. Cette luminosité diminue avec la distance du centre d'une galaxie d'une manière spécifique, dont l'origine physique est inconnue, mais pour laquelle les chercheurs s'attachent à montrer qu'elle est le résultat d'un équilibre à entropie maximale.

Simulation contre observation

La densité de matière noire au centre des galaxies est un mystère depuis des décennies. Il existe un fort décalage entre les prédictions des simulations (une densité élevée) et ce qui est observé (une valeur faible). Les astronomes ont proposé de nombreux types de mécanismes pour résoudre ce désaccord majeur.

Dans cet article, les chercheurs ont montré, en utilisant les principes physiques de base, que les observations peuvent être reproduites en supposant que la matière noire est en équilibre, c'est à dire., qu'il a une entropie maximale. Les conséquences de ce résultat pourraient être très importantes car elles indiquent que la matière noire a échangé de l'énergie avec elle-même et/ou avec la matière « normale » (baryonique) restante.

"Le fait que l'équilibre ait été atteint en si peu de temps, par rapport à l'âge de l'Univers, pourrait être le résultat d'un type d'interaction entre la matière noire et la matière normale en plus de la gravité, " suggère Ignacio Trujillo, chercheur à l'IAC et co-auteur de cet article. "La nature exacte de ce mécanisme doit être explorée, mais les conséquences pourraient être fascinantes pour comprendre quelle est cette composante qui domine la quantité totale de matière dans l'Univers."