La nature de la matière noire reste l’un des plus grands mystères de la cosmologie. Dans le cadre standard de la matière noire froide (MDP) non collisionnelle, différents modèles sont considérés : les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, de masses de l'ordre de 100 GeV/c).2), les trous noirs primordiaux et les particules ultralégères de type axion (masse de 10-22 à 1 eV/c2). Dans ce dernier cas, la matière noire se comporte comme une onde, décrite par une équation de Schrödinger, plutôt que comme un ensemble de particules ponctuelles. Cela génère des comportements spécifiques à petite échelle, tout en suivant des dynamiques standards (CDM) à grande échelle.
Philippe Brax et Patrick Valageas, chercheurs à l'Institut de physique théorique, ont étudié des modèles de matière noire froide ultralégère avec auto-interactions répulsives, dont la dynamique est décrite par une variante non linéaire de l'équation de Schrödinger, connue sous le nom d'équation de Gross-Pitaevskii, également rencontrée en physique des superfluides et des condensats de Bose-Einstein. Dans leurs travaux, les auteurs suivent la formation et la dynamique de structures particulières, appelées « vortex » (tourbillons) et « solitons » (noyaux en équilibre hydrostatique), au sein de halos de matière noire ultralégère en rotation.
Les articles sont publiés dans la revue Examen physique D.
Comme pour un superfluide étudié en laboratoire, dans ces modèles, les noyaux de matière noire sont décrits par les équations d'un fluide « irrotationnel ». Le système ne peut alors entretenir une rotation globale que par l'apparition de singularités, c'est-à-dire de « vortex » (tourbillons).
En combinant des approches analytiques et numériques, les auteurs montrent que les halos de matière noire en rotation donnent effectivement naissance à de tels vortex, qui s'organisent ensuite en un réseau rotatif stable au cœur du halo. Ces vortex ont un moment cinétique quantifié qui dépend de la masse de la particule de matière noire. En raison de la force centrifuge, le « soliton » (noyau de matière noire) acquiert une forme axisymétrique et aplatie.
Si ces vortex existent réellement, ils pourraient offrir une nouvelle façon de détecter la matière noire ultralégère. Par exemple, en analysant les signatures gravitationnelles qu’ils laissent dans les galaxies. Il serait également intéressant d'étudier le lien éventuel entre ces « lignes vortex » et les filaments de la toile cosmique. Ainsi, des vortex analogues à ceux observés en laboratoire en physique quantique des superfluides pourraient exister dans les halos de matière noire à des échelles astrophysiques ou galactiques.
