Dark Matter est l'un des mystères les plus confondants de la nature. Il maintient les physiciens des particules la nuit et les cosmologues collés à leurs simulations de supercalculateur. Nous savons que c'est réel car sa masse empêche les galaxies de s'effondrer. Mais nous ne savons pas ce que c'est.
Dark Matter n'aime pas les autres et peut préférer sa propre entreprise. Bien qu'il ne semble pas interagir avec la matière baryonique régulière, il pourrait éventuellement réagir avec lui-même et l'auto-annihilat. Il a besoin d'un environnement étroitement emballé pour ce faire, ce qui peut conduire à une façon dont les astrophysiciens peuvent enfin le détecter.
De nouvelles recherches théoriques décrivent comment cela pourrait se produire et indique que les objets sous-stellaires, essentiellement des nains bruns, pourraient héberger le processus. La recherche est intitulée « Nains noirs: objets sous-stellaires à propulsion sombre en attente de découverte au centre galactique, » Et il est publié dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. L'auteur principal est Djuna Croon, physicien théorique et professeur adjoint à l'Institut de phénoménologie de physique des particules au Département de physique de l'Université de Durham.
Les nains bruns sont des objets sous-stellaires plus grands que les planètes mais pas suffisamment massifs pour déclencher la fusion d'hydrogène. Lorsque les nains bruns se forment, ils suivent le même processus que les étoiles. Mais malheureusement pour eux, leur accrétion de gaz bloque et règne leur croissance. Ils ne peuvent pas devenir suffisamment massifs pour déclencher la fusion d'hydrogène et sont condamnés à une durée de vie de faiblesse. Ils génèrent de la chaleur en fusionnant brièvement le deutérium et par la contraction gravitationnelle, mais ils ne brillent jamais comme les étoiles.
En termes de luminosité, ils sont plus sombres que les nains blancs mais légèrement plus brillants que les géants du gaz comme Jupiter. Au fil du temps, les nains bruns se refroidissent et deviennent plus sombres et plus sombres. Les nains bruns sont notoirement difficiles à détecter en raison de leur faiblesse et de leur faible masse.
Croon et ses co-chercheurs suggèrent que l'annihilation de la matière noire pourrait rendre les nains bruns détectables. Les particules de matière noire peuvent être leurs propres anti-praticules et peuvent s'ancientes les unes les autres lorsque leur densité est élevée. Selon E = MC2leur annihilation convertit leur masse en énergie et produit des particules à partir du modèle standard comme les photons, les électrons et les positrons.
« Dark Matter interagit par gravitationment, il peut donc être capturé par des étoiles et s'accumuler à l'intérieur, » a expliqué le co-auteur Jeremy Sakstein dans un communiqué de presse. « Si cela se produit, il pourrait également interagir avec lui-même et anéantir, libérant de l'énergie qui chauffe l'étoile. » Sakstein est professeur de physique à l'Université d'Hawaï.
Il y a plus de matière noire près du centre galactique, et les auteurs pensent que c'est là que suffisamment peut s'accumuler dans des nains bruns pour que l'auto-annihilation se produise. Lorsque cela se produit, cela crée un autre type d'objet sous-stellaire: les nains sombres.
« Ces objets collectent la matière noire qui les aide à devenir un nain sombre. Plus vous avez de matière sombre autour, plus vous pouvez capturer, » Explique Sakstein. « Et, plus la matière noire se retrouve à l'intérieur de l'étoile, plus il y aura d'énergie à travers son annihilation. »
Il existe de nombreuses particules candidates pour la matière noire. L'un d'eux interagit faiblement des particules massives (WIMP), et ce modèle théorique ne fonctionne que si les WIMP sont en effet ce que la matière noire est. « Pour que les nains sombres existent, la matière noire doit être faite de WIMP, ou de toute particule lourde qui interagit avec elle-même pour produire de la matière visible, » Dit Sakstein.
Si nous pouvons détecter ces nains sombres, nous détectons essentiellement la matière noire. La détection repose sur le lithium-7, un isotope au lithium naturel qui est le plus abondant et le plus stable de tous les isotopes de lithium. Les nains bruns normaux épuiseraient leur lithium-7 tandis que les nains sombres le conserveraient.
« Les DD sont physiquement distincts des nains bruns / rouges de plusieurs manières, » Les auteurs écrivent. Ils sont légèrement plus massifs et sont principalement alimentés par l'annihilation DM, avec un composant supplémentaire de fusion stable d'hydrogène. Leurs luminosités, rayons et températures efficaces sont constantes dans le temps. Les auteurs expliquent également que ces nains sombres conserveraient leur lithium alors qu'il serait épuisé par la combustion nucléaire dans les nains bruns.
« Le test de lithium est une méthode principale pour confirmer qu'un objet est un nain brun, » Les chercheurs écrivent. Les astronomes utilisent des lignées de lithium dans des spectres stellaires pour tracer les histoires de température centrale des nains bruns et des jeunes étoiles et pour déterminer dans quelle époque évolutive dans laquelle ils sont.
« La détection du lithium-7 dans des objets plus lourds que la limite de combustion au lithium fournirait des preuves de l'existence du chauffage DM, » Les chercheurs écrivent dans leur article. « Une conséquence de cela est que les DD peuvent être identifiés par leur abondance améliorée au lithium malgré une masse relativement importante et un vieil âge stellaire. » Ils montrent également que la quantité de lithium conservée au fil du temps est fonction des densités de masse et de matière noire.
« Il y avait quelques marqueurs, mais nous avons suggéré le lithium-7 parce que ce serait vraiment un effet unique, » A expliqué Sakstein. Les étoiles ordinaires consomment rapidement le lithium-7. « Donc, si vous pouviez trouver un objet qui ressemblait à un nain sombre, vous pouvez rechercher la présence de ce lithium parce qu'il ne serait pas là s'il s'agissait d'un nain brun ou d'un objet similaire. »
Les nains sombres sont des objets extrêmement froids, et bien que le JWST puisse les détecter, il peut y avoir un autre moyen, selon Sakstein. « L'autre chose que vous pourriez faire est de regarder toute une population d'objets et de demander, de manière statistique, si elle est mieux décrite en ayant une sous-population de nains sombres ou non. »
Trouver des naines sombres contribuerait grandement à répondre à la question sur la nature de la matière noire. Si nous pouvions détecter des nains sombres, cela renforcerait l'idée que la matière noire est des WIMP.
« Avec des candidats à la matière noire claire, quelque chose comme une axion, je ne pense pas que vous pourriez obtenir quelque chose comme un nain sombre, » dit Sakstein. « Ils ne s'accumulent pas à l'intérieur des étoiles. Si nous parvenons à trouver un nain sombre, il fournirait des preuves convaincantes que la matière noire est lourde et interagit fortement avec elle-même, mais seulement faiblement avec le modèle standard. Cela comprend des classes de WIMP, mais cela inclurait également d'autres modèles plus exotiques, » conclut Sakstein.
« L'observation d'un nain sombre ne nous dirait pas de manière concluante que la matière noire est une mauviette, mais cela signifierait que c'est une mauviette ou quelque chose qui, à toutes fins utiles, se comporte comme une mauviette. »
