La majeure partie des exoplanètes sous forme de géante gazeuse détectée à ce jour est sous forme de Jupiter chaude comme le montre cette vue d'artiste. Mais on sait qu'il en existe qui sont froides. © Nasa, Esa A. Schaller
Sciences

La matière noire pourrait chauffer des exoplanètes !

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[EN VIDÉO] Interview : quelles particules composent la matière noire ?  Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Physiciens et astrophysiciens rivalisent d'ingéniosité pour démontrer l'existence des particules de matière noire et déterminer leur nature. Une des dernières idées en date est d'utiliser des détecteurs vraiment géants... des exoplanètes gazeuses froides.

Il y a encore peu, l'existence de la matière noire était le seul moyen connu de faire naître et croître aussi vite qu'elles l'ont fait les galaxies tout en rendant compte des caractéristiques de la plus vieille lumière de l'Univers observable, le rayonnement fossile. Cela a changé avec la découverte d'une nouvelle théorie relativiste de la gravitation qui remplace les effets gravitationnels d'une composante supplémentaire de matière (nécessairement non baryonique d'après la théorie de la nucléosynthèse primordiale) par des modifications des lois de la mécanique céleste de Newton.

Mais la théorie proposée, qui prend place dans le cadre phénoménologique de la théorie Mond, est plutôt tirée par les cheveux. Bien des physiciens des astroparticules préfèrent encore, mais sans dogmatisme, favoriser l'hypothèse que les mouvements anormaux que nous mesurons concernant les étoiles et les gaz dans les galaxies, et jusqu'aux amas de galaxies, supposent l'existence d'une composante de matière dominant celle sous forme de protons et de neutrons par son champ de gravitation tout en n'émettant pas ou très peu de lumière. Il faut donc faire appel à des particules relevant d'une nouvelle physique et ne pouvant pas exercer non plus de forces nucléaires fortes.

Bien des candidats au titre de particules de matière noire ont été proposés (de la matière noire « floue » aux anapoles de Zel’dovitch) depuis presque un demi-siècle. Certaines de ces particules sont nettement plus massives qu'un proton, d'autres nettement moins qu'un électron. Toutes n'interagissent que très peu avec la matière normale, ce qui pour les physiciens indique qu'une réaction entre une particule de matière noire et disons un proton ou un électron est très improbable. Cela se traduit par le fait qu'un faisceau de particules de matière noire pourra traverser un bloc de matière normale largement comme s'il n'était pas là. Par contre, tout comme il est plus probable de rencontrer quelqu'un dans un supermarché que dans un désert, plus le bloc de matière sera dense et épais plus les chances d'une collision entre une particule de matière noire et de matière normale aura des chances de se produire, et plus donc on aura de chance de produire une réaction en conséquence.

Une vue d'artiste d'une naine brune dans un système stellaire binaire peut-être chauffée par la matière noire. © Nasa, Goddard Space Flight Center, S. Wiessinger

Des naines brunes et des géantes gazeuses anormalement chaudes

Or, il se trouve que certaines théories de la matière noire autorisent une particule de matière noire et son antiparticule à s'annihiler en se rencontrant. Cela produit un dégagement d'énergie et de particules. Si donc des particules de matière noire sont concentrées en une région de l'espace, quelle qu'en soit la raison, on pourra constater que cette région brille dans un rayonnement particulier, y compris sous forme de rayons cosmiques matériels, et qu'elle est plus chaude. On peut prendre comme analogie l'existence des éléments radioactifs à l'intérieur de la Terre. Ils sont certes très dispersés mais il y en a tellement étant donné la masse et la taille de la Terre que la production de chaleur devient finalement très loin d'être négligeable même si elle n'est rien par rapport aux réactions thermonucléaires faisant briller le Soleil.

Deux chercheurs, Rebecca Leane du SLAC National Accelerator Laboratory de l'Université de Stanford et Juri Smirnov de l'Ohio State University, viennent d'exploiter une variante de ces idées comme ils l'expliquent dans un article publié dans Physical Review Letters, mais en accès libre sur arXiv.

En premier lieu, si l'on considère des exoplanètes qui seraient des géantes gazeuses mais à grandes distances de leurs étoiles, elles seraient donc a priori très froides. On peut estimer leur chaleur résiduelle de formation par contraction gravitationnelle ou avec des chaleurs latentes de changement de phase et par conséquent poser des bornes sur leurs températures moyennes. Mais en raison de leurs masses et de leur volume, ces astres pourraient accumuler et concentrer la matière noire. Si celle-ci peut s'annihiler lors de collisions, ou simplement se désintégrer, on dispose donc d'une source de chaleur supplémentaire qui va se traduire par une température anormalement élevée pour une géante gazeuse. On peut faire le même raisonnement avec des naines brunes et les deux chercheurs ont considéré des astres contenant jusqu'à 55 fois la masse de Jupiter.

En second lieu, les modèles crédibles de matière noire prévoient qu'elle se concentre au cœur des galaxies, ce qui veut dire aussi que les géantes gazeuses précédemment évoquées vont être d'autant plus riches en matière noire et donc d'autant plus brillantes.

Tous ces phénomènes dépendent des caractéristiques des particules de matière noire, leurs masses, leurs capacités à interagir entre elles, etc., donc des caractéristiques de la nouvelle physique invoquée.

Au final, sous ces différentes hypothèses, on peut tenter non seulement de mettre indirectement en évidence l'existence des particules de matière noire mais aussi poser des contraintes sur leurs propriétés en cherchant à mesurer les températures d'un très grand nombre de géantes gazeuses froides et/ou de naines brunes et voir s'il existe également un gradient de température à travers la Voie lactée.

D'après les chercheurs, ce programme pourrait être réalisé avec des mesures dans l'infrarouge du prochain télescope spatial, le James-Webb, et on devrait pouvoir explorer des masses de particules de matière noire au moins égales à celle d'un électron.

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