Une image à lentille gravitationnelle d’une galaxie
NASA/ESA/STSci
Les preuves se multiplient pour une particule de matière noire ultra-légère appelée axion. Une étude de la lumière déformée par les galaxies a montré qu’elle est mieux expliquée par la matière noire de l’axion que par les particules massives à faible interaction (WIMP), qui ont longtemps été le principal candidat pour la matière noire.
Les chercheurs sont à peu près sûrs que la matière noire existe en raison de ses effets gravitationnels, mais jusqu’à présent, tous les efforts pour détecter directement une particule de matière noire ont échoué. Amruth Alfred de l’Université de Hong Kong et ses collègues ont jeté un autre regard indirect sur la matière noire en examinant un effet appelé lentille gravitationnelle. C’est là que la lumière d’un objet distant est déformée et amplifiée par le champ gravitationnel d’une galaxie relativement proche, créant plusieurs images de l’objet d’arrière-plan autour de la galaxie voisine dans ce qu’on appelle un anneau d’Einstein.
On s’attend à ce que les galaxies soient entourées de halos de matière noire, de sorte que les propriétés de cette matière noire devraient affecter la façon dont la lumière est étirée. Les axions sont de nombreux ordres de grandeur moins massifs que les WIMP, ils devraient donc se comporter différemment – alors que les WIMP se comportent comme des particules standard, les axions sont si légers que les effets quantiques devraient les faire se comporter davantage comme des ondes.
Donc, si la galaxie de premier plan dans la lentille gravitationnelle est entourée d’axions, nous nous attendrions à ce que cela affecte la façon dont les images des galaxies d’arrière-plan apparaissent une fois qu’elles ont été lentilles. “Si vous avez une piscine avec des vagues et que vous y mettez une pierre, vous pouvez voir les oscillations de la vague lorsque vous regardez la pierre”, explique Razieh Emami du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dans le Massachusetts. , qui faisait partie de l’équipe de recherche. “Dans ces observations, ces structures d’ondes seraient directement traduites en position des images lentilles et en leur luminosité.”
Nous savons qu’il existe des anomalies entre les modèles que nous avons observés dans les modèles de lentille gravitationnelle et les modèles WIMP, mais les chercheurs ont découvert que lorsque les modèles WIMP ont été remplacés par des modèles axioniques, ces anomalies ont disparu. Ils ont également testé les modèles sur un véritable système de lentilles et ont constaté que le modèle axion s’adaptait beaucoup mieux.
“Étant donné que la matière noire n’interagit que via la gravité (et peut-être la force faible dans certains modèles), c’est l’un des tests les plus purs qui peuvent être effectués pour étudier la nature de la matière noire”, explique Alfred. “La matière noire ondulatoire… résiste à l’examen minutieux auquel nous la soumettons.”
C’est une bonne nouvelle pour les axions, qui ont été éclipsés par les WIMP en tant que candidats à la matière noire pendant des décennies. “Les observations de la lentille gravitationnelle inclinent l’échelle des particules les plus lourdes vers les plus légères”, explique Emami. “Jusqu’à présent, il n’y a pas d’autres explications à ce phénomène.”
“Je ne pense pas que cela compte comme une preuve que les axions ultra-légers existent, mais c’est un résultat convaincant”, déclare Chanda Prescod-Weinstein de l’Université du New Hampshire, qui n’a pas participé aux travaux. “Cela fournit une preuve supplémentaire que les axions en tant que classe de candidats à la matière noire sont convaincants.”
Des efforts immenses ont été déployés pour détecter les WIMP sans succès, ce travail fait donc partie d’une renaissance des axions et d’autres candidats de la matière noire qui n’ont pas été explorés de manière aussi approfondie. “Les axions représentent l’une des extensions les plus simples du modèle standard de la physique des particules, et une grande partie de leur espace de recherche plausible n’a pas encore été explorée”, déclare Jae Sub Hong, également au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et non impliqué dans l’oeuvre. “En d’autres termes, il y a des fruits à portée de main qui attendent d’être cueillis, par rapport à ce qui a été fait pour d’autres candidats comme les WIMP.”
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