Cette image a été prise par la mission de la Nasa Transition Region and Coronal Explorer (Trace) en septembre 2010. En fausses couleurs car prise en lumière ultraviolette, elle montre l'émission lumineuse du gaz à environ 1 million de degrés, le matériau plus froid à environ 10.000 degrés apparaissant comme des structures sombres. © Nasa, Trace
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Des « astéroïdes » de matière noire se révéleraient lors de collisions avec des étoiles

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

La détection de la matière noire s'est révélée plus difficile que prévu, mais les physiciens des astroparticules comptent toujours sur des détecteurs géants naturels, les astres, pour pallier la faiblesse des détecteurs terrestres. Une signature particulière de matière noire sous forme d'objets de la masse d'un astéroïde pourrait trahir sa présence en entrant en collision avec des populations d'étoiles.

Si l'on ne modifie par les lois de la mécanique céleste déduites de la théorie de Newton, ou mieux de la relativité générale d'Einstein, on doit postuler l'existence de masses supplémentaires qui ne peuvent pas être sous la forme des particules composant notre corps et les astres du Système solaire si l'on veut rendre compte des mouvements des étoiles et des nuages d'hydrogène dans les galaxies, et tout simplement rendre compte de l'existence des galaxies. Cette masse ne peut pas être non plus sous forme de particules chargées, ou alors très faiblement, car on n'observe pas de rayonnement associé à cette matière que l'on appelle donc noire.

On avait de très bonnes raisons de penser que l'on découvrirait les particules de matière noire directement ou indirectement bien avant 2020. Mais il n'en a pas été le cas malgré des recherches vigoureuses avec des détecteurs comme AMS, Xenon 1T ou encore ceux du LHC, Atlas et CMS.

On considère donc des hypothèses de plus en plus exotiques et on cherche à contraindre encore plus l'espace des paramètres déterminant les caractéristiques pouvant être possédées par la matière noire. Parmi ces caractéristiques, il y a la taille des paquets de masse se comportant comme de la matière noire, par exemple la taille de trous noirs primordiaux ou d'amas de matière étrange laissés par le Big Bang.

Pour fixer les idées, prenons ce dernier cas, c'est-à-dire des paquets de quarks que l'on appelle des strangelets ou encore des pépites de quarks. On peut par exemple tenter de les détecter par des effets de microlentille gravitationnelle, c'est-à-dire une amplification transitoire de la lumière d'une étoile devant laquelle ce type d'objet passerait. On a tenté de le faire également avec des minitrous noirs primordiaux, sans succès, ce qui là aussi a posé des bornes sur la taille et les contributions possibles de ces objets à la constitution de la matière noire.

Galex et l'astronomie ultraviolette. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ScienceMagazine

Une signature ultraviolette indirecte de la matière noire

Il reste en fait parmi les fenêtres observationnelles qui ne sont pas bouchées, des objets dont la taille, ou plus précisément la masse, serait de l'ordre de celle d'un astéroïde. Un groupe de chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory et de l'Université Paris-Saclay a eu une idée ingénieuse pour tenter de les détecter en modélisant l'effet des collisions de ces concentrations de matière noire avec des étoiles - ces physiciens l'expliquent dans un article publié dans Physical Review Letters, mais en accès libre sur arXiv.

Au début, les chercheurs s'attendaient à ce que ces collisions soient à l'origine de certaines explosions d'étoiles en supernovae, mais les calculs ont montré que ce ne devait pas être le cas au moins pour les étoiles ordinaires.

Toutefois, ces calculs ont révélé aussi que lors de ces collisions, et bien que la matière noire n'interagisse pas ou très peu avec la matière ordinaire excepté par la force de gravitation, des ondes de choc supersoniques puissantes devaient se produire et se propager dans les étoiles. Au final, elles pourraient créer à leur surface des points chauds particulièrement brillants dans le domaine des rayons ultraviolets transitoirement, et avec une signature bien caractéristique.

Les astrophysiciens savent faire de l'astronomie ultraviolette dans l'espace depuis des décennies. La caméra dans l'ultraviolet lointain (UVC) était l'une des expériences déployées sur la surface lunaire par les astronautes d'Apollo 16 en 1972. On peut aussi citer comme par exemple à cet égard la mission Galaxy Evolution Explorer (Galex) de la Nasa qui s'est déroulée de 2003 à 2013 et avant elle celle du télescope spatial Fuse, acronyme en anglais de Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (Explorateur spectroscopique en ultraviolet lointain).

La nouvelle signature de matière noire proposée par les chercheurs pourrait selon eux être à la portée d'Ultrasat, une mission israélienne qui devrait être sur orbite à l'horizon 2024 et qui est spécialement dédiée à l'astronomie dans l'ultraviolet.

Quelle que soit la mission qui s'occuperait de détecter cette signature dans le futur, il faudrait surveiller un grand nombre d'étoiles et donc une large portion de la voûte céleste pour avoir une chance de surprendre ces collisions qui ne produisent des émissions UV que de façon très transitoire.

Dans l'idéal, le télescope Hubble pourrait déjà faire l'affaire s'il surveillait un amas globulaire car la densité des étoiles y est importante pour une petite région du ciel.

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