Aujourd'hui, Slatyer, physicienne théoricienne au MIT, utilise ses talents mathématiques pour imaginer de nouvelles idées sur la matière noire. Cette substance mystérieuse constitue environ 85 % de la matière de l'univers. Pourtant, elle échappe toujours aux tentatives des scientifiques de la cerner. Slatyer tente de comprendre de quoi pourrait être constituée la matière noire, comment elle pourrait interagir avec elle-même ou avec d'autres éléments et, plus important encore, quelles seraient les conséquences de ces interactions.
Les physiciens savent que la matière noire existe parce qu’ils peuvent observer son influence gravitationnelle sur les galaxies, les amas de galaxies et l’évolution globale de l’univers. Au-delà de cela, il existe peu d’indices sur lesquels travailler. Slatyer a contribué à imaginer les innombrables façons dont la matière noire pourrait laisser une signature subtile sur la structure de la réalité qui se manifesterait dans les observations.
« Je ne pense pas qu’il y ait eu quelqu’un qui ait eu autant d’impact parmi les scientifiques qui ont mené ce genre de travaux », déclare Dan Hooper, physicien à l’Université de Chicago. « Elle est aussi importante que je peux le prétendre. »
À la découverte des bulles de Fermi
Née aux Îles Salomon, Slatyer a grandi à Canberra, en Australie. Après sa découverte du livre de Hawking, elle a su qu'elle voulait étudier la physique. Alors qu'elle était étudiante en troisième cycle à l'université de Harvard dans les années 2000, elle a rencontré le physicien Douglas Finkbeiner, qui étudiait les signaux mystérieux au centre de la Voie lactée.
Un satellite de recherche avait détecté d'étranges excès de positons, l'antiparticule de l'électron, et de photons à haute énergie appelés rayons gamma, qui ne pouvaient pas être expliqués par les théories conventionnelles. Ensemble, Slatyer et Finkbeiner ont commencé à étudier de plus près un type de matière noire auto-annihilante qui pourrait résoudre ce mystère. Dans leur modèle particulier, cette matière noire laisserait derrière elle des électrons et des positons, qui interagiraient avec la lumière des étoiles pour créer des rayons gamma.
En 2008, la NASA a lancé le télescope spatial Fermi à rayons gamma, qui a offert des images sans précédent de photons de haute énergie émanant du plan galactique. Si la matière noire était effectivement auto-annihilable, elle apparaîtrait dans les observations de Fermi. L'année suivante, Slatyer et Finkbeiner ont utilisé les données publiques de Fermi pour rechercher cette matière.
« Nous avons analysé les données et avons vu cette grosse lueur floue au nord et au sud du centre galactique », se souvient Slatyer. « Nous nous sommes dit : « Victoire ! »
Mais plus ils étudiaient les signaux et plus ils se rendaient compte qu'il ne s'agissait pas de matière noire, avec l'aide d'un autre étudiant de Finkbeiner, Meng Su. Les images de Fermi révélaient une énorme forme de sablier qui s'étendait sur 25 000 années-lumière au-dessus et en dessous du plan de la Voie lactée. On pense que la matière noire est présente dans un halo diffus tout autour de notre galaxie, mais cette structure avait des bords très nets.
Les trous noirs supermassifs qui se nourrissent de gaz et de poussière au centre d'autres galaxies sont connus pour cracher de la matière en forme de sablier. Finalement, Slatyer et ses collègues ont réalisé qu'il pourrait s'agir de quelque chose de similaire. Ces bulles de Fermi, comme on les a appelées, ont fait l'objet de nombreuses études de suivi, menant à un débat de longue date sur les mécanismes à l'origine de la création de ces bulles (SN : 09/11/10 ; SN : 20/04/23).
Slatyer n'a pas découvert la matière noire, mais, dit-elle, « j'essaie de ne pas me plaindre lorsque la nature me donne de nouvelles choses passionnantes, qu'elles correspondent ou non à ce que je cherchais au départ. »
La matière noire dans l’univers primitif
Depuis, une grande partie de ses travaux s’est concentrée sur différents scénarios de matière noire. Par exemple, certaines de ses recherches ont porté sur la façon dont cette mystérieuse substance aurait pu s’annihiler ou se désintégrer dans l’univers primitif, laissant derrière elle des particules fondamentales qui provoqueraient de petites variations de la température attendue de l’ensemble du cosmos. Un tel effet pourrait apparaître dans le fond diffus cosmologique, ou CMB, une lumière résiduelle datant de l’époque où l’univers n’avait que 380 000 ans.
Les satellites qui mesurent cette lumière ont découvert qu’elle indique que le cosmos a presque exactement la même température quelle que soit la direction dans laquelle ils regardent, avec des écarts d’une partie sur 100 000 seulement. Slatyer et ses collègues ont calculé que, si l’annihilation de la matière noire s’était produite, elle aurait pu générer une signature de température encore plus subtile, jusqu’à une partie sur un million. Son équipe a rapporté en 2023 comment la présence de matière noire auto-annihilante déformerait le CMB – un signal que les futurs instruments devront surveiller.
Dans une étude publiée en mai 2024, elle et ses collègues ont étudié d’autres effets potentiels de la chaleur excessive de la matière noire dans l’univers primitif. Dans certains scénarios, cette température plus élevée aurait pu générer un surplus d’électrons libres. Ces électrons libres auraient pu agir comme catalyseurs pour des réactions chimiques qui auraient favorisé la formation d’étoiles, conduisant peut-être à la création d’un nombre énorme d’étoiles très tôt.
D’autres équipes ont suggéré que l’excès de chaleur aurait pu déplacer plus facilement le gaz et la poussière, un mouvement qui aurait pu réduire la formation d’étoiles. Dans ce cas, de plus gros amas de matière auraient pu s’effondrer pour former des trous noirs massifs, qui auraient pu devenir les graines autour desquelles les premières galaxies se seraient formées.
De telles idées pourraient aider à expliquer ce que le télescope spatial James Webb a observé alors qu'il scrutait l'histoire cosmique. Le télescope semble avoir découvert des trous noirs et des galaxies d'une taille inattendue dans les premiers temps de l'univers (SN: 3/4/24). Slatyer et ses collègues suggèrent que la matière noire pourrait être à l’origine de ces objets cosmiques étrangement massifs.
En poussant ses théories jusqu’à leurs conclusions logiques, Slatyer s’est rendue indispensable à la communauté des physiciens théoriciens et observationnels à la recherche de la matière noire. « Elle fait partie de ces personnes qui sont omniprésentes », explique Finkbeiner. « Elle est présente à toutes les réunions. Elle est impliquée dans tous les domaines. Elle fait partie de tous les groupes d’experts chargés de déterminer ce que le domaine devrait faire au cours des dix prochaines années. »
Étant donné le peu de connaissances des chercheurs sur la matière noire, Slatyer pense qu'il est important d'imaginer un large éventail de possibilités potentielles et de réaliser des expériences pour tester ces options. « Nous essayons de nous assurer de ne rien rater d'évident », dit-elle.
