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La matière noire enfin observée grâce aux champs magnétiques ?

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La matière noire n'émet pas de lumière par définition. Pourtant, elle pourrait faire sentir sa présence par l'intermédiaire de champs magnétiques. L'effet serait même peut-être déjà visible dans le spectre du rayonnement fossile.

En rouge la polarisation la plus intense selon les modes E du rayonnement fossile. En bleu, la moins intense. Crédit : Nasa

La matière noire, une hypothèse renforcée par les récentes observations de collisions d'amas de galaxies, est mise à profit pour expliquer toutes sortes d'énigmes d'astrophysique et de cosmologie, comme les courbes de rotation des galaxies et la naissance même des galaxies, pour lesquelles elle aurait servi de germe, amorçant plus rapidement l'effondrement gravitationnel de la matière normale dans l'Univers primitif.

En principe, à part son influence gravitationnelle sur les étoiles et les rayons lumineux, la matière noire n'exerce aucune interaction électromagnétique ou nucléaire. Mais en somme-nous si sûrs ? Telle est la question que s'est posée Susan Gardner, une physicienne américaine.

Très probablement, les particules de matière noire sont des particules supersymétriques mais il existe bien d'autres candidats possibles, comme l'axion et des minis trous noirs primordiaux. Il se pourrait bien, qu'au final, la matière noire soit un mélange de diverses particules. Parmi elles, certaines possèdent peut-être un moment magnétique, tout comme l'électron ou le neutron.

Ordinairement, une particule neutre ne devrait pas posséder de moment magnétique, qui est produit par un courant de charge en rotation. Mais, dans le cas du neutron, celui-ci étant composé de quarks chargés, il peut néanmoins apparaître comme insensible au champ électromagnétique en première approximation... mais pas en seconde, lorsque l'on prend en compte la présence d'un moment magnétique produit par les complexes mouvements internes des quarks.

Susan Gardner a étudié la possibilité qu'au moins une partie de la matière noire soit composée de particules avec un moment magnétique. Il ne semble pas que cela puisse être des particules supersymétriques, mais il pourrait s'agir de particules de Kaluza-Klein par exemple. En présence de champ magnétique, les particules douées d'un moment magnétique s'alignent et produisent un renforcement de celui-ci. C'est tout simplement le principe de l'aimantation d'un morceau de fer dans un champ magnétique.

Effet Faraday. Voir les explications dans le texte. Crédit : R. Willingale

L'effet Faraday

Or, il existe en physique un effet appelé « Faraday » (voir le schéma). La lumière est le produit du champ électromagnétique oscillant. Elle est décrite par la donnée d'un vecteur champ électrique (E dans le schéma) et d'un vecteur champ magnétique (B dans le schéma). Lorsque l'on fait passer un rayon lumineux à travers un polariseur, le champ électrique de la lumière en sortie du polariseur pourra avoir été « filtré », pour ne plus apparaître que comme une composante oscillante, mais fixe dans l'espace le long d'une droite : on parle de polarisation linéaire de la lumière.

C'est ce qui s'est passé au début du schéma (à gauche) : le champ électrique est devenu vertical (vecteur E). En revanche, en pénétrant dans une zone où règne un champ magnétique, ici produit par une bobine, la direction de ce champ change et tourne, même si le plan dans lequel s'effectue cette rotation est toujours perpendiculaire au rayon lumineux. C'est ce que l'on voit sur le schéma en sortie de la bobine (à droite), avec une rotation du vecteur champ électrique.

Cette influence d'un champ magnétique sur la polarisation de la lumière constitue précisément l'effet Faraday.

Si l'on considère qu'une partie des particules de matière  possède un moment magnétique couplé aux champs magnétiques de l'Univers à grande échelle, un effet Faraday devrait se produire, selon Susan Gardner, pour les photons du rayonnement fossile. Une signature indirecte de la présence de la matière noire en résulterait.

Le problème est que l'on sait déjà depuis longtemps que le rayonnement fossile peut être légèrement polarisé selon des modes dits E et B, par analogie avec certaines structures mathématiques associées aux champs électriques et magnétiques. En particulier, des ondes gravitationnelles produiraient une polarisation selon des modes B, et les gaz d'électrons des plasmas des modes E, déjà détectés par WMap.

Une détection difficile mais pas impossible

Comment distinguer l'effet possible de la matière noire sur la polarisation de ce genre d'effet ? Réponse : en cherchant une corrélation entre les modes E et les modes B, car l'effet Faraday tend à convertir des modes E en modes B.

Bien, mais le rayonnement synchrotron des galaxies fait la même chose ! Néanmoins, celui-ci est modélisable, et donc en principe peut être soustrait en tant que bruit de fond. De plus, et surtout, son effet n'est pas le même selon la fréquence de la lumière, contrairement à l'effet Faraday qui ne dépend pas de celle-ci.

Là où les choses deviennent intéressantes, c'est qu'un groupe de chercheurs chinois examinant des traces possibles de la violation de l'invariance CPT dans le rayonnement fossile, aurait déjà trouvé des observations qui s'interpréteraient bien dans le sens de la théorie de Susan Gardner.

Gary Hinshaw du NASA's Goddard Flight Center est à la tête d'une des équipes qui dépouillent les données de WMap. Pour lui, le modèle proposé est tout à fait sérieux et lui et ses collègues sont actuellement en train d'examiner la question d'une corrélation entre des modes E et B en liaison avec de la nouvelle physique d'un peu plus près.

Rappelons quand même que les modes B n'ont toujours pas été détectés par WMap. Pour vérifier leur présence, il faudra attendre le satellite Planck, de l'Esa, qui étudiera le fond cosmologique.

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