Des éclairs étrangement droits pourraient-ils être un signe de matière sombre? | La science

Pendant des décennies, les astronomes et les physiciens ont été déconcertés par le mystère de la matière noire, dépensant des milliards de dollars en détecteurs sophistiqués pour rechercher les particules insaisissables censées représenter environ 85% de la matière dans l’univers. Jusqu’à présent, ces recherches sont restées vides. Maintenant, une équipe de scientifiques a proposé une stratégie très différente pour rechercher des signes de matière noire, non pas au moyen de laboratoires de physique des particules, mais en examinant l’air au-dessus de nous. Si nous étudions attentivement les éclairs observés dans les orages de foudre ordinaires, affirment-ils, nous pourrions simplement trouver des preuves de morceaux très denses de matière noire lorsqu’ils traversent notre atmosphère. Ils croient que ces morceaux de matière noire accélérés, connus sous le nom de «macros», déclencheraient des éclairs parfaitement droits, qui n’ont jamais été documentés.

Le cas de la matière noire se construit depuis les années 1930, lorsque les astronomes ont remarqué pour la première fois que les galaxies se déplaçaient comme si elles contenaient plus de matière que ce que nous pouvons réellement voir avec nos télescopes; par conséquent, les chercheurs croient qu’il doit y avoir une grande quantité de matière invisible en plus de la substance ordinaire et visible.

La théorie principale est que la matière noire est constituée de particules élémentaires, peut-être créées il y a environ 14 milliards d’années au moment du Big Bang. Ces objets hypothétiques sont appelés «particules massives à faible interaction» ou WIMP. Les recherches WIMP typiques utilisent d’énormes cuves d’un liquide ultra-dense tel que le xénon; si une particule de matière noire frappe le liquide, les physiciens devraient être capables de voir le rayonnement émis par les noyaux atomiques lorsqu’ils reculent après des collisions avec des WIMP. Mais de nombreuses expériences de ce type n’ont rien trouvé à ce jour, ce qui a amené certains scientifiques à se demander si la matière noire peut être constituée d’autre chose. Les macros sont l’une des nombreuses alternatives à WIMPS qui ont été proposées. L’idée est que la matière noire, plutôt que d’être composée de particules élémentaires, est en fait constituée d’amas macroscopiques de matière. Ces touffes peuvent peser jusqu’à quelques onces, peut-être le poids d’une balle de golf. Cependant, en raison de leur densité extrême (plusieurs centaines de livres par pouce cube), toute cette masse serait emballée dans un espace de la taille d’une bactérie. Mais, surtout, il est peu probable que les macros soient simplement présentes; plus probablement, ils traversent l’espace à des vitesses comprises entre environ 150 et 300 miles par seconde (contre environ un demi-mile par seconde pour une balle de fusil).

Si une macro passait à travers l’atmosphère terrestre, elle libérerait tellement d’énergie qu’elle enlèverait les électrons des atomes qu’elle écarterait, créant un long canal mince comme un crayon de particules chargées, appelées ions, dans l’air. Normalement, un tel canal ionique serait invisible – mais s’il se produit un orage électrique en cours, le canal offrirait un conduit pour la foudre. Mais contrairement à la foudre ordinaire, qui est irrégulière, ces éclairs macro-induits seraient droits comme une flèche, selon le physicien Glenn Starkman de l’Université Case Western Reserve et son fils Nathaniel Starkman, étudiant diplômé en physique à l’Université de Toronto. Leur article, co-écrit avec leurs collègues Harrison Winch et Jagjit Singh Sidhu, examine le mécanisme par lequel les macros pourraient déclencher la foudre, ainsi que plusieurs autres moyens novateurs pour rechercher des preuves de macros. Il a été publié en avril dans la revue Examen physique D.

«Étant donné que ces macros voyagent si vite, elles ne sont pas vraiment affectées par le vent – donc ces canaux ioniques sont remarquablement droits, coupant directement à travers l’atmosphère terrestre», explique le jeune Starkman. La foudre se déplace normalement le long de chemins disjoints et tortueux en essayant de trouver le chemin de moindre résistance entre les nuages ​​et le sol. En raison des fluctuations de température et d’humidité, ce chemin est généralement erratique, produisant un motif en zigag caractéristique. Mais une fois qu’une macro a créé un canal ionique parfaitement droit, la foudre se «met en place», ce qui donne un boulon ultra-droit. «C’est toujours brillant, c’est toujours bruyant – mais ce n’est plus déchiqueté», dit Nathaniel.

Parce que les macros transportent tant d’énergie sous une forme aussi compacte, elles pourraient traverser la Terre et émerger intactes de l’autre côté. Comme les auteurs le notent dans leur article, la foudre directe qu’ils décrivent pourrait être le résultat d’une macro descendant de l’espace, ou remontant d’en bas, ayant déjà parcouru notre planète.

À ce jour, personne n’a jamais vu un éclair aussi droit. Le plus proche jamais enregistré était un éclair presque droit vu au Zimbabwe en 2015, mais ce n’était pas assez droit, disent les auteurs. Mais le manque de preuves peut simplement être dû à l’absence de tout effort de recherche coordonné. Dans leur article, les Starkman suggèrent de tirer parti des réseaux existants de caméras qui scannent le ciel à la recherche de météores, de boules de feu et de bolides – des météores qui se séparent et créent de multiples stries. Cependant, le logiciel utilisé par ces réseaux de caméras météores devrait être peaufiné; ayant été conçus pour rechercher des météores, ils sont programmés pour filtrer les coups de foudre.

Le nombre d’exemples de foudre directe qu’une telle recherche peut révéler dépend de nombreux facteurs, notamment la masse, la taille et la vitesse des macros, et combien d’entre elles existent dans un volume d’espace donné – qui sont tous des chiffres très incertains. En guise d’estimation approximative, les Starkman suggèrent que jusqu’à 50 millions de macros pourraient frapper notre atmosphère chaque année – mais, à moins qu’une macro ne frappe là où un orage est en cours, il est peu probable que nous le remarquions. «Si nous avons de la chance, nous découvrirons qu’il y a en fait des éclairs droits, et nous ne les avons tout simplement pas surveillés», déclare Glenn. «L’un serait intéressant; plus d’un serait bien », ajoute Nathaniel.

L’idée de rechercher des preuves de présence de matière noire dans un phénomène aussi courant que la foudre est «très cool», déclare Sean Tulin, physicien à l’Université York à Toronto. «C’est définitivement une idée intéressante et très créative.» Le fait qu’aucune autre recherche de matière noire n’ait encore touché paydirt signifie que les physiciens doivent faire preuve d’ouverture d’esprit, dit-il. «Le domaine de la physique des particules et de la physique de la matière noire est à la croisée des chemins – et les gens sont en train de repenser les autres types de particules. [beyond WIMPs] Ça pourrait être.”

L’idée des macros n’est pas nouvelle; le physicien Ed Witten, bien connu pour ses travaux sur la théorie des cordes, a écrit sur l’existence possible d’objets un peu comme des macros, mais encore plus denses – il les a appelés «pépites de quarks» – dans un article des années 1980, et a même suggéré ces objets exotiques comme un candidat potentiel de matière noire. Mais la question de savoir si les objets ultra-denses comme les macros ou les pépites de quark seraient stables sur de longues périodes reste un sujet de débat.

Dans leur article, les Starkman suggèrent également d’autres endroits où des macros rapides auraient pu laisser leur marque, y compris quelque chose que vous pourriez avoir dans votre cuisine. Si une macro parcourait une plaque de granit à un moment de l’histoire de la Terre, soutiennent-ils, elle aurait fondu une ligne en forme de crayon à travers la roche, qui se serait ensuite re-solidifiée; les géologues appellent ce type de roche, fondue puis solidifiée, l’obsidienne. Si une fine dalle était coupée dans un bloc de granit qui avait été percé par une macro, il y aurait une tache ovale révélatrice d’obsidienne, peut-être un demi-pouce de diamètre, des deux côtés de la dalle. «Il s’avère que lorsque vous faites fondre le granit puis le refroidissez, cela forme de l’obsidienne, qui est différente du granit», explique Glenn à propos de la roche ignée de couleur sombre. Il encourage les gens à examiner les dalles de granit qu’ils pourraient voir dans les magasins de rénovation domiciliaire, ou même dans leurs propres cuisines (bien qu’une fois installées comme comptoir de cuisine, il peut être difficile de voir les deux côtés de la dalle). Il espère également créer un site Web de science citoyenne pour permettre aux gens de soumettre des photos de dalles de granit suspectes.

Un troisième endroit pour rechercher des signes de macros pourrait être sur la planète Jupiter, suggèrent les auteurs. Jupiter a des orages électriques beaucoup plus importants que la Terre, ce qui augmente les chances qu’une macro tranche une telle tempête. De tels événements peuvent produire des signaux radio distinctifs, dit Glenn, qui pourraient être surveillés à partir d’un satellite en orbite autour de la planète.

Tout cela peut sembler quelque peu hors du commun – mais là encore, des années de recherche par des méthodes plus traditionnelles n’ont pas encore révélé de signes concrets de matière noire. Bien sûr, il est possible qu’une étude exhaustive des orages, des plaques de granit et de l’atmosphère de Jupiter puisse de la même manière échouer à produire des indices de matière noire – mais même un résultat négatif peut être utile en physique, en aidant à contraindre les modèles théoriques. «Chaque fois que vous pouvez écarter des hypothèses autrement viables, aussi improbables soient-elles, c’est un peu de progrès», déclare Dan Hooper, physicien au Fermilab dans l’Illinois. L’article de Starkman «est une science légitime. C’est un pas vers une réponse. »