Une étude récente du Centre d’excellence ARC pour la physique des particules de matière noire suggère que les étoiles à neutrons pourraient jouer un rôle crucial dans la compréhension de la matière noire. L’étude a révélé que les particules de matière noire, lorsqu’elles entrent en collision avec des étoiles à neutrons, peuvent rapidement chauffer ces étoiles, les rendant potentiellement observables grâce aux futures technologies astronomiques. Ce processus de réchauffement rapide, que l'on croyait auparavant plus long que l'âge de l'univers, semble désormais réalisable en quelques jours, offrant ainsi une nouvelle méthode pour étudier les interactions de la matière noire avec la matière ordinaire.
Des recherches récentes indiquent que les étoiles à neutrons pourraient rapidement se réchauffer en raison de collisions avec la matière noire, offrant ainsi une nouvelle façon de détecter et d'étudier la matière noire.
Les scientifiques pourraient être sur le point de percer l’un des plus grands mystères de l’univers. Leurs récents calculs suggèrent que les étoiles à neutrons pourraient jouer un rôle crucial en faisant la lumière sur la mystérieuse matière noire.
Dans un article publié dans Le Journal de Cosmologie et de Physique des Astroparticulesdes physiciens du Centre d'excellence ARC pour la physique des particules de matière noire, dirigé par l'Université de Melbourne, ont calculé que l'énergie transférée lorsque des particules de matière noire entrent en collision et s'annihilent à l'intérieur d'étoiles à neutrons froides et mortes peut réchauffer les étoiles très rapidement.
On pensait auparavant que ce transfert d’énergie pourrait prendre un temps très long, dans certains cas plus long que l’âge de l’univers lui-même, rendant ce réchauffement inutile.
Le professeur Nicole Bell de l'Université de Melbourne a déclaré que les nouveaux calculs montrent pour la première fois que la majeure partie de l'énergie serait déposée en quelques jours seulement.
« La recherche de la matière noire est l’un des plus grands romans policiers de la science. La matière noire représente 85 % de la matière de notre univers, mais nous ne pouvons pas la voir. La matière noire n’interagit pas avec la lumière : elle n’absorbe pas la lumière, ne la reflète pas et n’émet pas de lumière. Cela signifie que nos télescopes ne peuvent pas l’observer directement, même si nous savons qu’il existe. Au lieu de cela, son attraction gravitationnelle sur les objets que nous pouvons voir nous indique qu’elle doit être là.
« C’est une chose de prédire théoriquement la matière noire, mais c’en est une autre de l’observer expérimentalement. Les expériences sur Terre sont limitées par les défis techniques liés à la fabrication de détecteurs suffisamment grands. Cependant, les étoiles à neutrons agissent comme d’énormes détecteurs naturels de matière noire, qui collectent de la matière noire sur des périodes astronomiquement longues, elles constituent donc un bon endroit pour concentrer nos efforts », a déclaré le professeur Bell.
Le rôle des étoiles à neutrons dans la détection de la matière noire
Les étoiles à neutrons se forment lorsqu'une étoile supermassive manque de carburant et s'effondre. Ils ont une masse similaire à celle de notre Soleil, serrés en boule de seulement 20 km de large. Plus ils seraient denses, plus ils deviendraient des trous noirs.
« Bien que la matière noire soit le type de matière dominant dans l’Univers, elle est très difficile à détecter car ses interactions avec la matière ordinaire sont très faibles. Si faible, en fait, que la matière noire peut traverser directement la Terre, voire le Soleil.
« Mais les étoiles à neutrons sont différentes : elles sont si denses que les particules de matière noire sont beaucoup plus susceptibles d’interagir avec l’étoile. Si des particules de matière noire entrent en collision avec des neutrons dans l’étoile, elles perdront de l’énergie et resteront piégées. Au fil du temps, cela conduirait à une accumulation de matière noire dans l’étoile », a déclaré le professeur Bell.
Michael Virgato, doctorant à l'Université de Melbourne, a déclaré que cela devrait réchauffer les étoiles à neutrons anciennes et froides à un niveau qui pourrait être à la portée des observations futures, ou même déclencher l'effondrement de l'étoile à un niveau tel que trou noir.
« Si le transfert d'énergie se produit assez rapidement, le étoile à neutrons serait réchauffé. Pour que cela se produise, la matière noire doit subir de nombreuses collisions dans l'étoile, transférant de plus en plus d'énergie de la matière noire jusqu'à ce que, finalement, toute l'énergie soit déposée dans l'étoile », a déclaré M. Virgato.
On ne savait pas combien de temps ce processus prendrait, car, à mesure que l'énergie des particules de matière noire devient de plus en plus petite, elles sont de moins en moins susceptibles d'interagir à nouveau. En conséquence, on pensait que le transfert de toute l’énergie prenait un temps très long – parfois plus long que l’âge de l’univers. Au lieu de cela, les chercheurs ont calculé que 99 % de l’énergie est transférée en quelques jours seulement.
« C’est une bonne nouvelle car cela signifie que la matière noire peut chauffer les étoiles à neutrons à un niveau potentiellement détectable. En conséquence, l’observation d’une étoile à neutrons froide fournirait des informations vitales sur les interactions entre la matière noire et la matière ordinaire, mettant ainsi en lumière la nature de cette substance insaisissable.
« Si nous voulons comprendre la matière noire – qui est partout – il est essentiel que nous utilisions toutes les techniques à notre disposition pour comprendre ce qu'est réellement la matière cachée de notre univers », a déclaré M. Virgato.
Cette recherche a été menée par une équipe d'experts internationaux du Centre d'excellence ARC pour la physique des particules de matière noire, dont le professeur Nicole Bell et Michael Virgato de l'Université de Melbourne, le Dr Giorgio Busoni du Université nationale australienne et le Dr Sandra Robles du Fermi National Accelerator Laboratory, États-Unis.
