Des objets célestes connus sous le nom de nains sombres peuvent se cacher au centre de notre galaxie et pourraient offrir des indices clés pour découvrir la nature de l'un des phénomènes les plus mystérieux et fondamentaux de la cosmologie contemporaine: la matière noire.
Un article publié dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Par une équipe de chercheurs basée au Royaume-Uni et Hawaï décrit ces objets pour la première fois et propose comment vérifier leur existence en utilisant des outils d'observation actuels tels que le télescope spatial James Webb. Le papier est intitulé « Dark Nwarfs: Dark Matter-Awered Objectts en attente de découverte au Galactic Center. »
L'équipe anglo-us derrière l'étude les a nommés nains noirs. Non pas parce que ce sont des corps sombres – au contraire – mais en raison de leur lien spécial avec la matière noire, l'un des sujets les plus centraux de la recherche actuelle sur la cosmologie et l'astrophysique.
« Nous pensons que 25% de l'univers est composé d'un type de matière qui n'émet pas de lumière, ce qui le rend invisible à nos yeux et à nos télescopes. Nous ne le détectons que par ses effets gravitationnels. C'est pourquoi nous l'appelons la matière noire », explique Jeremy Sakstein, professeur de physique à l'Université d'Hawai'i et l'un des auteurs de l'étude.
Ce que nous savons aujourd'hui à propos de la matière noire, c'est qu'elle existe et comment elle se comporte, mais pas encore ce qu'elle est. Au cours des 50 dernières années, plusieurs hypothèses ont été proposées, mais aucune n'a encore rassemblé suffisamment de preuves expérimentales pour prévaloir. Des études comme celle de Sakstein et ses collègues sont importantes car elles proposent des outils concrets pour briser cette impasse.
Parmi les candidats de matière noire les plus connus figurent les particules massives faiblement en interaction (WIMP) – des particules très massives qui interagissent très faiblement avec la matière ordinaire: elles traversent les choses inaperçues, n'émettent pas la lumière et ne répondent pas aux forces électromagnétiques (donc elles ne reflètent pas la lumière et ne restent pas invisibles), et ne se réagissent que par leurs effets gravitationnels. Ce type de matière noire serait nécessaire pour que les nains sombres existent.
« La matière noire interagit gravitationnellement, il pourrait donc être capturé par les étoiles et s'accumuler à l'intérieur. Si cela se produit, il pourrait également interagir avec lui-même et anéantir, libérant de l'énergie qui chauffe l'étoile », explique Sakstein.
Les étoiles ordinaires – comme notre Soleil – se sont expliqués parce que les processus de fusion nucléaire se produisent dans leurs noyaux, générant de grandes quantités de chaleur et d'énergie. La fusion se produit lorsque la masse d'une étoile est suffisamment grande pour que les forces gravitationnelles compressent la matière vers le centre avec une telle intensité qu'ils déclenchent des réactions entre les noyaux atomiques. Ce processus libère une énorme quantité d'énergie, que nous considérons comme une lumière. Les nains sombres émettent également de la lumière, mais pas à cause de la fusion nucléaire.
« Les nains sombres sont des objets de masse très bas, environ 8% de la masse du soleil », explique Sakstein. Une si petite masse n'est pas suffisante pour déclencher des réactions de fusion.
Pour cette raison, ces objets – bien que très courants dans l'univers – n'émettent généralement qu'une faible lumière (en raison de l'énergie produite par leur contraction gravitationnelle relativement faible) et sont connus des scientifiques sous le nom de nains bruns.
Cependant, si les nains bruns sont situés dans des régions où la matière noire est particulièrement abondante – comme le centre de notre galaxie – ils peuvent se transformer en autre chose.
« Ces objets collectent la matière noire qui les aide à devenir un nain sombre. Plus vous avez de matière noire, 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. »
Mais tout cela repose sur un type spécifique de matière noire. « Pour que les nains noirs 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 », explique Sakstein.
D'autres candidats proposés pour expliquer la matière noire – telle que les axions, les particules ultralétiques floues ou les neutrinos stériles – sont trop légers pour produire l'effet attendu dans ces objets. Seules les particules massives, capables d'interagir les unes avec les autres et de l'annihilation en énergie visible, pourraient alimenter un nain sombre.
Cependant, cette hypothèse entière aurait peu de valeur s'il n'y avait pas de façon concrète d'identifier un nain sombre. Pour cette raison, Sakstein et ses collègues proposent un marqueur distinctif. « Il y avait quelques marqueurs, mais nous avons suggéré le lithium-7 parce que ce serait vraiment un effet unique », explique le scientifique.
Le lithium-7 brûle très facilement et est rapidement consommé dans les étoiles ordinaires. « Donc, si vous pouviez trouver un objet qui ressemblait à un nain sombre, vous pouvez chercher 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. »
Des outils comme le télescope spatial James Webb pourraient déjà détecter des objets célestes extrêmement froids comme les nains sombres. Mais, selon Sakstein, il y a une autre possibilité. « 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. »
Si dans les années à venir, nous parvenons à identifier un ou plusieurs nains sombres, à quel point cet indice serait-il fort en faveur de l'hypothèse que la matière noire est faite de WIMP?
« Raisonnablement fort. Avec des candidats de matière noire claire, quelque chose comme une axion, je ne pense pas que vous seriez en mesure d'obtenir quelque chose comme un nain sombre. Ils n'accumulent pas à l'intérieur des étoiles. Si nous parvenons à trouver un nain sombre, cela fournirait des preuves convaincantes que la matière noire est lourde et interagit fortement avec elle-même, mais seulement faiblement avec le modèle standard. Cela inclut les classes de Wimps, mais qu'il inclurait d'autres autres modèles exotiques aussi bien, » Conclusions SAKSE, mais qu'elle ne comprendrait d'autres autres modèles exotiques que bien, « Conclusions SAKSE, mais cela ne comprendrait d'autres autres que des modèles exotiques aussi bien.
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.
