La détection de la matière noire, le type de matière insaisissable prévu pour constituer la majeure partie de la masse de l'univers, est un objectif de longue date dans le domaine de l'astrophysique. Comme la matière noire n'émet pas, ne reflète pas ou n'absorbe pas la lumière, elle ne peut pas être observée en utilisant des méthodes expérimentales conventionnelles.
Un candidat prometteur de la matière noire est ainsi ultra-léger de la matière noire, qui se compose de particules avec des masses extrêmement faibles. Les astrophysiciens ont recherché ces particules de matière noire ultra-légères en utilisant diverses approches et méthodes, mais elles n'ont pas encore été détectées.
Des chercheurs de l'Université de Floride ont récemment proposé une nouvelle méthode pour la détection directe des particules de matière noire ultra-légère, qui est basée sur l'astrométrie, la mesure précise des positions et des mouvements des objets célestes.
Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquedécrit une approche alternative qui pourrait être utilisée dans les recherches futures de ces particules insaisissables.
« Nos recherches ont émergé d'une question fondamentale: comment pouvons-nous détecter la matière noire si elle interagit avec la matière ordinaire que par la gravité? » Sarunas Verner, co-auteur du journal, a déclaré à Issues.fr.
« Ce scénario a traditionnellement été considéré comme difficile pour la détection directe. Cependant, en s'appuyant sur les travaux pionniers de Khmelnitsky et Rubakov (2014), nous avons reconnu que la matière noire ultralienne – avec une longueur d'onde de Broglie comparable à des échelles galactiques – produit des fluctuations de l'espace-temps mesurables. »
La plupart des recherches antérieures de matière noire ultra-légère reposaient sur des réseaux de synchronisation pulsar (c'est-à-dire des collections de pulsars en millisecondes à travers le ciel qui sont périodiquement observées par les astronomes) comme outils de détection. En revanche, Verner et son collègue Jeff A. Dror ont exploré la possibilité d'utiliser une astrométrie de précision pour sonder la matière noire ultra-légère en ne regardant que les interactions gravitationnelles.
« Notre méthode exploite le fait que la matière noire ultra-légère crée des fluctuations petites mais détectables dans l'espace-temps lui-même », a expliqué Verner.
« Ces fluctuations affectent les positions apparentes d'objets célestes éloignés comme les étoiles et les quasars. Plus précisément, nous avons démontré que l'effet le plus significatif se produit par ce que les astronomes appellent« l'aberration classique »- la légère déviation angulaire de la lumière à partir de sources éloignées causées par le mouvement de l'observateur à travers l'espace.»
Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont calculé comment ces ondulations d'espace-temps ultra-légères induites par la matière noire auraient un impact sur l'aberration classique, ce qui le rend dépendant de la distance. Cela signifie que les sources à proximité présentent une aberration légèrement différente de celle éloignée.
« Ces variations sont extrêmement subtiles – moins de 1 microarcseconde de taille – requiant des mesures astrométriques très précises », a déclaré Verner. « Nous avons montré que ces effets sont potentiellement détectables avec les enquêtes astrométriques actuelles et de nouvelle génération comme VLBI, Gaia et des observatoires futurs comme Theia. »
L'étude récente de Verner et Dror introduit une méthode entièrement nouvelle pour sonder la matière noire ultra-légère, en se concentrant uniquement sur les interactions gravitationnelles. Sa dépendance à l'égard des interactions gravitationnelles pourrait être très avantageuse, car elle pourrait permettre aux chercheurs de rechercher des candidats de la matière noire qui pourraient être entièrement découplés du modèle standard, à la seule exception des lois gravitationnelles.
« Les implications de notre étude sont substantielles », a déclaré Verner. «Notre méthode est complémentaire des sondes existantes de matière noire ultra-légère, y compris des mesures de fond micro-ondes cosmiques (CMB) et des observations de structure à grande échelle (LSS).
« Lorsqu'il est combiné avec ces autres ensembles de données, l'astrométrie de précision pourrait améliorer considérablement notre capacité à détecter ou à contraindre les particules de matière noire ultra-légère dans la plage de masse inférieure à 10-22 Volts électron. Cette gamme de masse est particulièrement intéressante car elle correspond aux particules avec des longueurs d'onde sur les échelles galactiques, qui aborde potentiellement certains défis à petite échelle en cosmologie. «
La nouvelle méthode de détection proposée par ce groupe de recherche pourrait être développée et déployée dans de futures recherches de particules de matière noire ultra-légère.
Dans leurs prochaines études, Verner et Dror prévoient d'étendre leur approche proposée, afin qu'elle puisse être utilisée pour sonder d'autres sous-types de matière noire ultra-légère.
« S'appuyant sur cette fondation, nous prévoyons d'étendre notre cadre théorique pour étudier la matière noire vectorielle ultra-légère, qui pourrait présenter différentes signatures dans les données astrométriques », a ajouté Verner.
« Nous explorons également comment des principes similaires pourraient être appliqués pour sonder la nature de l'énergie sombre, offrant potentiellement de nouvelles perspectives sur la force mystérieuse qui stimule l'accélération cosmique. »
