La matière noire est une vraie douleur dans le cou.
Le terme matière noire se réfère à une substance hypothétique qui semble interagir uniquement avec le reste de l’univers via la gravité et servir d’échafaudage pour les galaxies et autres structures cosmiques massives. Cependant, des particules réelles de matière noire n’ont jamais été trouvées – malgré des décennies d’efforts intensifs pour les découvrir. Certains critiques rejettent par conséquent le concept comme un simple facteur de fudge que les physiciens utilisent pour soutenir leurs théories incomplètes du fonctionnement de l’univers. Mais que la matière noire soit une «vraie» chose ou un fruit utile de l’imagination des théoriciens, il y a tout simplement trop de preuves pour souhaiter que le problème disparaisse.
Appelez ça ce que vous voulez, il y a évidemment quelque chose de très étrange dans l’univers. Les étoiles à la périphérie des galaxies en orbite trop rapidement. Les galaxies bourdonnent en grappes beaucoup trop rapidement. Les volets riches en matière du Web cosmique se fusionnent trop rapidement. Et il y a tellement d’autres exemples.
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Chaque tentative de reléguer la matière noire au sous-sol des idées de physique jetées, telles que la modification de la force de gravité pour s’adapter à toutes les bizarreries d’observation associée, a échoué. S’il est impossible d’exclure de telles approches – vous ne savez jamais ce qu’un théoricien intelligent pourrait cuisiner demain – un demi-siècle de culture n’a pas encore donné de fruits satisfaisants.
Des décennies de preuves ont largement exclu les candidats évidents à la matière noire qui ont été inspirés par la physique à haute énergie. Mais la physique à haute énergie n’est pas le seul jeu en ville. Il existe d’autres domaines, notamment la physique des matières condensées, la branche de la physique qui examine les propriétés des grandes collections de matière, telles que la façon dont tous les atomes dans un volet de verre conspirent pour le rendre transparent. Ce domaine de la physique a ses propres coins étranges, comme le monde étrange de la supraconductivité. Et ces coins sont assez étranges pour fournir une inspiration potentiellement utile pour comprendre le puzzle de la matière noire.
Notre meilleure supposition quant à la nature de la matière noire est qu’il y a une forme de matière qui n’interagit pas avec la lumière – ou vraiment beaucoup d’autre ou même lui-même. (Certes, ce n’est pas une bonne supposition, mais c’est la meilleure que nous ayons.) Cette affaire occupe la majeure partie de presque toutes les galaxies et la structure plus grande, et il y est juste là, existant, ne se faisant connaître que par ses tractions gravitationnelles sur la matière visible.
Chaque ligne d’enquête cosmologique souligne la réalisation humiliante que seule une fraction mince de l’affaire dans l’univers s’allume. Après des siècles d’effort, en développant le tableau périodique, le zoo des particules, le modèle standard de physique des particules, les forces de la nature et tous les autres, nous savons maintenant que nous avons à peine rayé la surface.
Mais la science n’est un voyage que pour l’humble, donc nous n’avons qu’un seul choix devant nous: en avant.
Nous avons de nombreux outils puissants à notre disposition dans nos voyages à travers les coins sombres de l’univers. Un outil est notre suite d’observations, des mesures prises à des échelles du galactique au cosmique qui s’étendent sur l’étendue de l’univers observable et la profondeur du temps profond. Toutes ces observations informent et jugent finalement toute théorie des candidats. Nous sommes peut-être dans le noir de ce qu’est la matière noire, mais nous avons un très bon sens de ce qu’il fait. Si vous avez votre propre idée d’expliquer la matière noire, elle doit passer par le creuset des observations intactes. Si une idée échoue n’importe où en cours de route, nous continuons et essayons la suivante.
L’autre outil puissant est la physique elle-même, notre exploration mathématique du monde. Nous ne comprenons pas complètement la matière noire, son identité ou ses caractéristiques ou ses interactions avec le reste de l’univers. Mais nous savons, à des degrés de confiance divers, ce que fait le reste de l’univers. La matière noire est comme une pièce manquante dans un puzzle; Nous ne savons pas ce qu’est la pièce, mais nous connaissons grossièrement la forme qu’elle doit prendre.
Quelle que soit la matière sombre, elle doit obéir aux lois de la physique (même si nous ne connaissons pas encore toutes ces lois).
Par exemple, lorsque l’univers avait moins d’une minute, la matière noire doit avoir en quelque sorte déconnecté de la matière normale (un processus appelé «congeler») pour obtenir le bon montant actuel que nous déduisons des observations. C’est ainsi que nous avons trouvé notre principal candidat pour la matière noire, la mauviette ou les particule massive faiblement en interaction. Nous avions des particules hypothétiques générées dans les théories de la physique qui, si elles étaient actives et abondantes et généralement autour de l’univers, aurait naturellement fait exactement cela.
Mais nous n’avons pas encore détecté une mauviette directement, et ses fondements théoriques se sont révélés être sur de la glace mince.
Alors nous allons.
Il y a aussi l’axion, une autre particule hypothétique provenant de la physique à haute énergie et une autre des milliards de fois plus légère que la mauviette. Si l’axion existe et a les bonnes propriétés, elle pourrait également faire tout ce que nous savons que nous avons besoin de matière noire pour faire.
Mais nous n’avons pas encore détecté directement une axion – bien que, pour être juste, nous n’avons pas recherché des axions presque aussi largement que nous l’avons fait pour les WIMP, simplement parce que les WIMP étaient considérés comme un shoo-in pour la matière noire.
Alors nous allons.
En mai Guanming Liang et Robert Caldwell, tous deux au Dartmouth College, ont publié un article dans des lettres de revue physique dans lesquelles ils offraient leur propre candidat à Dark Matter. Un pessimiste pourrait regarder cette étude et rouler des yeux: «Oh, joie, encore une autre proposition pour une particule candidate, probablement la énième ce mois-ci, qui est presque certainement erronée – juste un autre coup aléatoire dans l’obscurité, un autre brin de spaghetti lancé contre le réfrigérateur de la cosmologie.»
Cette réponse serait juste. Ce modèle est probablement – non, presque certainement -. Mais c’est parce que la plupart des modèles sont mauvais la plupart du temps. Si nous connaissions la réponse à l’avance, nous n’aurions pas besoin de faire de la science. Nous ne pouvons trouver la bonne réponse en passant à travers toutes les mauvaises, en choisissant le blé de la paille, en essayant encore et encore jusqu’à ce que nous trouvions quelque chose de digne.
Mais nous ne savons que lorsque nous essayons.
Et admirablement, le modèle de Liang et Caldwell essaie non seulement mais essaie quelque chose de vraiment nouveau. Au lieu de s’inspirer de la physique à haute énergie, avec des particules hypothétiques dérivées de cette interaction ou de cette interaction exotique, les auteurs se tournent vers la physique de la matière condensée et en particulier la nature bizarre de la suprconductivité.
Dans un conducteur régulier, les électrons portent de l’électricité, mais ils offrent également une résistance. À des températures suffisamment basse et dans les bons matériaux, cependant, les électrons se condensent – ou, si vous le voulez, se congelaient – se réalisant par paires dans une configuration à l’énergie inférieure. Cela élimine la résistance électrique et rend la magie de la supraconductivité.
Par analogie, le modèle Liang et Caldwell considère la matière noire comme une soupe de particules exotiques née quelques instants après le Big Bang, à l’ère bizarre avant l’arrivée des protons et des neutrons. Cette soupe n’interagit pas avec la matière normale mais n’a pas non plus de masse en soi. Au fur et à mesure que le cosmos se dilate et se refroidit, les particules de matière noire se condensent et s’agrètent, formant des «gouttelettes» massives qui continuent à avoir leur propre évolution séparée, déconnectée du reste de la matière visible dans l’univers, sauf par leur influence gravitationnelle.
Les calculs sont complexes et provisoires mais prometteurs. Le principal avantage de cette approche est qu’il permet à un nouveau mécanisme de créer de la matière noire dans les conditions grisantes dans les premières minutes après le Big Bang qui ne dépend pas des mêmes étapes que la procédure de WIMP habituelle suit. Et ce modèle ne récapitule pas seulement l’évolution existante de la matière noire. Si les particules exotiques ont une certaine masse, alors seules certaines d’entre elles se condensent pour former la matière noire. Les autres se verrouillent en place comme arrière-plan qui sature l’univers, jouant potentiellement le rôle de l’énergie sombre, la force mystérieuse qui semble accélérer l’expansion de l’univers. Surtout, dans ce modèle, l’énergie sombre peut varier avec le temps, ce qui s’aligne sur des résultats provisoires provenant des enquêtes en galaxie.
Des études comme celles-ci ne sont que la première étape: un contrôle de plausibilité qui obtient à peu près la bonne quantité de matière noire à peu près au bon moment. Il reste à voir si cela peut expliquer la montagne absolue de preuves que nous avons pour la matière noire: peut-il expliquer simultanément le large éventail de comportements que nous attribuons à la matière noire, des premières époques du cosmos à l’univers moderne rempli d’étoiles?
Et peut-il passer le test ultime de tous? Peut-il prédire l’existence d’une particule – ou d’une gouttelette de condensation de la matière noire – que nous pourrions un jour voir directement par nous-mêmes?
La recherche de la vraie nature de la matière noire est en effet frustrant parce que les obstacles que tout modèle doit effacer est pour le moins nombreux. Nous ne croirons pas ce modèle, ou toute autre hypothèse, jusqu’à ce qu’il puisse réussir là où tant d’autres ont échoué.
Alors nous allons.