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De la matière noire dans le Soleil ?

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Selon deux chercheurs de l'Université d'Oxford, la matière noire pourrait montrer indirectement sa présence juste sous nos yeux, en influençant la structure du Soleil. Elle permettrait de résoudre le « problème de la composition solaire » découvert grâce à l'héliosismologie.

Une image du Soleil prise par Soho. Crédit : SOHO - EIT Consortium, ESA, NASA

On ne sait toujours pas de quoi sont faites les particules de matière noire dont les preuves indirectes se sont accumulées depuis quelques années. Les candidats les plus probables étaient jusqu'ici certaines particules supersymétriques lourdes, des Wimps ou bien une particule particulièrement légère, l'axion.

Bien qu'électriquement neutres, certaines particules de matière noire envisagées, comme les neutralinos supersymétriques, peuvent aussi exister sous forme d'antiparticules et peuvent s'annihiler comme le font électrons et positrons, en donnant des rayons gamma. On s'attend donc à ce que dans les noyaux des galaxies, des accumulations de ces particules génèrent un excès de rayons gamma possédant des caractéristiques bien particulières.

Si la matière noire est bel et bien largement composée de neutralinos, ces derniers doivent être très massifs, probablement des centaines ou des milliers de fois plus qu'un proton pour rendre compte des observations au niveau des galaxies et des amas de galaxies.

Pour Subir Sarkar de l'Université d'Oxford, et son collègue Mads Frandsen, ce n'est pas nécessairement le cas si les particules de matière noire sont décrites par des équations analogues à celles de la QCD. De telles équations, qui font intervenir une force ressemblant à l'interaction nucléaire forte mais se manifestant à des énergies plus élevées que celles intervenant dans les expériences habituelles avec des baryons, ont déjà été postulées pour décrire le boson de Higgs. Il s'agit des théories de technicouleur. Il pourrait alors exister des sortes de « baryons noirs » (à ne pas confondre avec les baryons habituels).

Or, si ces baryons noirs se sont comportés comme les baryons classiques au début de la naissance de l'Univers observable, ils pourraient fort bien, comme eux, manifester la même asymétrie matière-antimatière.

Remarquablement, les calculs montrent qu'avec des masses de 5 fois celle du proton, certains de ces baryons noirs seraient toujours là actuellement. C'est exactement ce qu'il faut pour rendre compte de la matière noire, qui apparaît 5 fois plus massive que la matière ordinaire lorsque l'on fait le bilan des masses présentes dans un volume de l'espace-temps à une échelle supérieure aux amas de galaxies (le reste étant de l'énergie noire qui représente plus de 70 % de ces masses).

Si ces baryons noirs existent, ils seraient donc présents sous forme de particules et pas d'antiparticules, ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas s'annihiler l'une l'autre. Cela ouvre de nouvelles possibilités, en particulier leur accumulation à l'intérieur des étoiles et bien sûr dans celle qui nous est la plus familière : le Soleil.

Une coupe de l'intérieur du Soleil. Crédit : Lesia

Une énigme révélée par l'héliosismologie

Il se trouve que depuis quelques années, un problème a surgi après la comparaison entre les prédictions issues des modèles de l'intérieur du Soleil, basés sur les estimations de sa composition chimique, et les données récentes de l'héliosismologie.

Cette technique met à profit les ondes sonores qui se propagent dans le Soleil et font vibrer sa surface. De même que sur Terre la sismologie permet de remonter au profil de densité et à la composition des roches à l'intérieur du globe, on peut ainsi recueillir des informations sur la structure du Soleil et les mouvements de convection qui s'y produisent. Malheureusement, les caractéristiques du transfert de chaleur à l'intérieur du Soleil que l'on déduit de sa composition chimique, elle-même obtenue par l'étude du spectre solaire, ne sont pas en accord avec les renseignements fournis par l'héliosismologie. C'est le problème de la composition solaire.

Selon les calculs de Sarkar et Frandsen, les baryons noirs qui ont pu s'accumuler dans le Soleil sans rencontrer leur antiparticule et, bien que neutres, modifieraient les caractéristiques du transport de chaleur précisément de la façon nécessaire pour rétablir l'accord entre le modèle de l'intérieur du Soleil et les données de l'héliosismologie.

En bonus, ces baryons modifieraient le flux de neutrinos du Soleil d'une façon qui devrait être mesurable avec l'expérience Borexino. On pourrait donc tester cette théorie dans un avenir proche, peut-être aussi en créant en laboratoire, au LHC, ces hypothétiques baryons noirs.

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