Le gonflement des bulles cosmiques dans notre univers primitif pourrait avoir conduit à l’abondance actuelle de matière noire, la substance insaisissable qui tire sur les étoiles, mais n’émet aucune lumière, suggère une nouvelle étude.
La théorie, décrite le 9 octobre dans le journal Les lettres d’examen physique, peut expliquer exactement comment la matière noire s’est condensée hors de la soupe ardente de l’univers primitif. Depuis que l’astronome Fritz Zwicky a proposé pour la première fois l’existence de matière noire en 1933, des tonnes de preuves d’observation ont montré que quelque chose se cache dans l’ombre, invisible à nos yeux et même aux derniers instruments scientifiques. La matière noire laisse son empreinte digitale par le tiraillement gravitationnel qu’elle exerce sur les étoiles et les galaxies visibles que les astronomes observent. L’ampleur de cette attraction permet aux scientifiques d’estimer quel pourcentage de l’univers est constitué de matière noire; les estimations actuelles suggèrent que ce matériau sombre représente 80% de la masse de l’univers.
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«Bien que nous sachions combien de matière noire notre univers contient, depuis des décennies maintenant, nous nous posons des questions sur la nature et l’origine de la matière noire», a déclaré le co-auteur de l’étude Andrew Long, professeur adjoint de physique à l’Université Rice de Houston. « La matière noire est-elle une collection de particules élémentaires? Si oui, quelles sont les propriétés de ces particules, telles que leur masse et leur spin? Quelles forces ces particules exercent-elles et quelles interactions subissent-elles? Quand la matière noire a-t-elle été créée et quelles interactions ont joué un rôle important dans sa formation? «
Long et les physiciens Michael Baker, de l’Université de Melbourne en Australie, et Joachim Kopp, de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence en Allemagne, voulaient répondre à la dernière de ces questions – quand et comment s’est-elle formée? Ils ont examiné la période la plus précoce de la formation de l’univers, une fraction de nanoseconde après la Big Bang a commencé, un « Far West » de création et de destruction de particules, où les particules se sont heurtées et se sont annihilées aussi rapidement qu’elles se sont formées, a déclaré Long. À l’époque, l’univers était une soupe enflammée de particules élémentaires de très haute énergie, similaires aux physiciens du plasma quark-gluon créent aujourd’hui dans les plus grands accélérateurs de particules. Cette soupe primordiale était incroyablement chaude et dense, et beaucoup trop chaotique pour que des particules subatomiques plus ordonnées telles que des protons et des neutrons se forment.
Mais cette fusillade cosmique n’a pas duré longtemps. Après que l’univers a commencé à se développer, le plasma s’est progressivement refroidi et la production de nouvelles particules s’est arrêtée. Dans le même temps, les particules se sont éloignées et leur taux de collisions a chuté jusqu’à ce que leur nombre reste fixe. Les particules qui sont restées sont ce que les scientifiques appellent des «reliques thermiques» et sont devenues la matière que nous connaissons et aimons aujourd’hui, comme les atomes, les étoiles et éventuellement les personnes. « En plus de toutes les particules élémentaires connues aujourd’hui, il y a des raisons de imaginez qu’il y avait d’autres particules présentes au début de l’univers, comme la matière noire », a déclaré Long à Live Science.
Les scientifiques pensent que ces particules hypothétiques peuvent également exister aujourd’hui sous forme de reliques thermiques. Dans la nouvelle étude, l’équipe a supposé qu’en quelques fractions de seconde après le Big Bang, le plasma subissait une transition de phase similaire à ce qui se passe maintenant lorsque la matière passe d’un état à un autre, comme lorsque des bulles de vapeur d’eau se forment dans un une casserole d’eau bouillante ou de la vapeur se refroidit pour former des gouttelettes d’eau.
Dans ce scénario, des bulles de plasma refroidi se sont formées brusquement dans la soupe bouillante de l’univers primitif. Ces bulles se sont dilatées et fusionnées jusqu’à ce que l’univers entier passe à une nouvelle phase.
«Au fur et à mesure que ces gouttelettes se répandaient dans tout l’univers, elles agissaient comme des filtres qui éliminaient les particules de matière noire du plasma», a déclaré Long. « De cette manière, la quantité de matière noire que nous mesurons dans l’univers aujourd’hui est le résultat direct de cette filtration dans les premières fractions de seconde après le Big Bang. »
Les parois de ces bulles deviendraient des barrières. Seules les particules de matière noire avec de grandes masses auraient suffisamment d’énergie pour passer de l’autre côté à l’intérieur des bulles en expansion et s’échapper du Far West qui a annihilé les particules plus légères. Cela filtrerait les particules de matière noire de masse inférieure et pourrait expliquer l’abondance de matière noire observée aujourd’hui.
La recherche continue
L’un des principaux candidats à la matière noire sont les particules massives à faible interaction, ou WIMP. Ces particules hypothétiques peseraient 10 à 100 fois plus que les protons, mais elles n’interagiraient avec la matière que par l’intermédiaire de deux des forces fondamentales de la nature: la gravité et le force faible nucléaire. En passant comme des spectres à travers l’univers, ils pourraient expliquer les astronomes de matière noire manquants, comme Zwicky, remarqués pour la première fois il y a près d’un siècle.
La recherche de WIMP a poussé les physiciens à construire d’énormes détecteurs de pointe en profondeur. Mais malgré des décennies de recherche des particules insaisissables, aucune n’a été trouvée. Cela a conduit les scientifiques ces dernières années à rechercher d’autres prétendants aux particules de matière noire qui sont soit plus légers ou plus lourds que les WIMP.
« Un aspect passionnant de l’idée [of our research] est que cela fonctionne pour les particules de matière noire qui sont beaucoup plus lourdes que la plupart des autres candidats, comme le célèbre [WIMPs], sur lequel la plupart des recherches expérimentales dans le passé étaient focalisées, « Kopp, un co-auteur de l’article]a déclaré dans une interview. » Notre travail, par conséquent, motive l’extension des recherches de matière noire vers des masses plus lourdes. «
Leur travail pourrait également ouvrir la recherche de matière noire à d’autres projets futurs tels que l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA), une constellation de sondes spatiales couvrant des millions de kilomètres conçues pour détecter les ondulations de ondes gravitationnelles à travers l’espace.
Si les bulles cosmiques envisagées par Long et ses collègues étaient présentes au début de l’univers, elles ont peut-être laissé une empreinte digitale détectable grâce aux ondes gravitationnelles, a déclaré Long. Il est possible qu’une fraction de l’énergie créée par la collision de deux parois de bulles produise des ondes gravitationnelles détectables par de futures expériences.
L’équipe prévoit d’étendre ses recherches pour mieux comprendre ce qui se passe lorsque la matière noire interagit avec ces murs de bulles et ce qui se passe lorsque des bulles entrent en collision. « Nous savons que la matière noire est là-bas, mais nous ne savons pas grand-chose d’autre », a déclaré Baker. «Si c’est une nouvelle particule, alors il y a de bonnes chances que nous puissions la détecter dans un laboratoire. Nous pourrions alors cerner ses propriétés, comme sa masse et ses interactions, et apprendre quelque chose de nouveau et de profond sur l’univers.
Publié à l’origine sur Live Science.
