Le technicien Peter Duffner (à gauche) et le géoscientifique Thomas Forbriger travaillent sur le gravimètre supraconducteur dans une mine d'argent abandonnée au cœur de la Forêt-Noire en Allemagne. Crédit :Horowitz &Widmer-Schnidrig.
La théorie physique suggère que l'univers est constitué en grande partie d'un type de matière qui n'émet pas, absorber ou réfléchir la lumière, et ne peut donc pas être observé en utilisant des méthodes de détection conventionnelles. Ce type de matière, appelée matière noire, n'a jusqu'à présent jamais été observé ou détecté expérimentalement.
La détection de la matière noire s'est jusqu'à présent avérée incroyablement difficile, pourtant, cela pourrait être beaucoup plus facile si ce type de matière était concentré dans des objets macroscopiques. En réalité, certains physiciens ont suggéré que la matière noire, ou au moins un élément clé de celui-ci, peut être constitué d'objets sombres compacts (CDO), qui sont supposées présenter de petites interactions non gravitationnelles avec la matière normale.
Charles Horowitz et Rudolf Widmer-Schnidrig, deux chercheurs de l'Université de l'Indiana et du Black Forest Observatory (BFO) en Allemagne, respectivement, ont récemment mené une étude sur l'utilisation des gravimètres pour rechercher des objets compacts de matière noire (CDO) à l'intérieur de la Terre. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , met en évidence le potentiel de l'utilisation de gravimètres supraconducteurs dans la recherche en cours de la matière noire.
"Une grande partie de l'univers est faite de matière noire inconnue, " Horowitz a déclaré à Phys.org. " Dans nos travaux précédents, nous avons cherché des amas de matière noire, que nous appelons objets sombres compacts, CDO, dans les étoiles à neutrons ou dans le soleil. Étant donné que la matière noire peut interagir très faiblement avec la matière normale, il peut se déplacer à l'intérieur des corps normaux d'une manière que la matière conventionnelle ne peut pas. »
La théorie astrophysique suggère que la matière noire a des interactions gravitationnelles avec la matière normale. La recherche de CDO à l'aide d'outils capables de détecter les différences de forces gravitationnelles entre un endroit et un autre semble donc une option prometteuse.
Avec ça en tête, Horowitz et Widmer-Schnidrig ont entrepris d'étudier le potentiel de la recherche de CDO à l'aide de gravimètres, dispositifs très sensibles qui peuvent mesurer l'accélération qui résulte de la gravité avec une précision remarquable. Sur Terre, l'accélération due à la pesanteur est d'environ g(t) =9,8 m/s 2 , tandis qu'un gravimètre peut mesurer les changements de ce nombre du 12e chiffre à environ 12 chiffres (avec une précision de la partie par billion).
"La gravité d'un CDO changera légèrement la valeur de g à mesure que le CDO se rapproche ou s'éloigne du gravimètre, " a déclaré Horowitz. " Nous recherchons une dépendance temporelle à g(t) qui change avec la période de 55 minutes de l'orbite du CDO à l'intérieur de la Terre. "
Horowitz et Widmer-Schnidrig ont calculé que CDO se déplaçant dans le noyau interne de la Terre aurait une période orbitale de près de 55 minutes, et produirait un signal dépendant du temps dans un gravimètre. Les données qu'ils ont recueillies à l'aide de gravimètres supraconducteurs, cependant, exclut la présence de tels objets à l'intérieur du noyau terrestre, à moins que ces objets aient une masse extrêmement faible ou un petit rayon orbital.
À l'avenir, les chercheurs aimeraient répéter leur étude en utilisant des gravimètres avec une sensibilité plus élevée ou en se concentrant sur d'autres corps célestes. Leurs travaux pourraient également inspirer les physiciens d'autres institutions dans le monde à réaliser des expériences similaires à l'aide de gravimètres.
"Nous avons montré comment utiliser la sensibilité des gravimètres pour sonder une forme possible de matière noire, " a déclaré Horowitz. "Nous avons démontré qu'aucun de ces objets ne se déplace à l'intérieur de la Terre à moins que leur masse et/ou leur rayon orbital ne soient très petits. Dans nos futurs travaux, nous prévoyons d'essayer d'améliorer la sensibilité de notre recherche et éventuellement de rechercher des CDO dans d'autres corps du système solaire."
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