Pas de WIMPS ! Les particules lourdes n’expliquent pas l’anomalie de gravité lenticulaire

Des décennies après qu’il soit devenu clair que l’univers visible était construit sur le cadre de la matière noire, nous ne savons toujours pas ce qu’est réellement la matière noire. À grande échelle, les preuves indiquent ce que l’on appelle les WIMP : des particules massives à faible interaction. Mais il y a des détails difficiles à expliquer avec les WIMP, et des décennies de recherche de particules n’ont rien donné, laissant les gens ouverts à l’idée que tout autre chose que les WIMP est fait de matière noire.

L’un des nombreux candidats est ce qu’on appelle un axion, une particule porteuse de force qui a été proposée pour résoudre des problèmes dans un domaine de la physique sans rapport. Ils sont beaucoup plus légers que les WIMP mais ont d’autres propriétés compatibles avec la matière noire, qui maintiennent leur faible attractivité. Maintenant, un nouvel article soutient qu’il existe des caractéristiques de la lentille gravitationnelle (dont la plupart sont des produits de la matière noire) qui peuvent être mieux expliquées par leurs propriétés de type axion.

particule ou onde ?

Que sont donc les axions ? À son niveau le plus simple, c’est une particule extrêmement légère sans spin et agissant comme un vecteur de force. Ils ont été proposés à l’origine pour garantir que la chromodynamique quantique, qui décrit le comportement des forces fortes qui maintiennent les protons et les neutrons ensemble, n’altère pas la conservation de la parité de charge. Un travail considérable a été fait pour s’assurer que l’axe est compatible avec d’autres cadres théoriques, et des recherches ont été faites pour essayer de le comprendre. Mais la plupart des axions ont été minimisés comme l’une des nombreuses solutions potentielles à des problèmes que nous n’avons pas encore trouvé de moyen de résoudre.

Cependant, ils ont suscité de l’intérêt en tant que solution potentielle à la matière noire. Mais le comportement de la matière noire s’explique mieux par les particules lourdes, en particulier les particules massives interagissant faiblement. La mèche devrait être plus légère et pourrait être aussi légère qu’un neutrino presque sans masse. La recherche d’axions a également tendance à exclure de nombreux monstres lourds, ce qui rend le problème encore plus évident.

Mais l’axion pourrait réapparaître, ou du moins rester immobile pendant que les WIMP font face. Il existe un certain nombre de détecteurs intégrés pour essayer d’identifier les indicateurs d’interaction faibles pour les WIMP, et ils sont vides. Si les WIMP sont des particules de modèle standard, nous pouvons en déduire leur existence en fonction de la masse perdue dans le collisionneur de particules. Aucune preuve montrée. Cela a amené les gens à se demander si WIMP est la meilleure solution pour la matière noire.

À l’échelle cosmique, WIMP continue d’affiner les données. Mais une fois que vous descendez au niveau de chaque galaxie, il y a quelques anomalies qui ne se manifestent pas à moins que le halo de matière noire qui entoure la galaxie ait une structure complexe. Quelque chose de similaire semble vrai lorsque vous essayez de cartographier la matière noire de chaque galaxie en fonction de sa capacité à créer des lentilles gravitationnelles qui déforment l’espace, grossissant et déformant les objets d’arrière-plan.

De nouveaux travaux tentent de relier cette anomalie potentielle aux différences entre les propriétés des WIMPS et des axions. Comme leur nom l’indique, les WIMP doivent se comporter comme des particules discrètes, interagissant presque entièrement par gravité. Au lieu de cela, les axions doivent interagir les uns avec les autres par le biais d’interférences quantiques, ce qui crée un motif ondulatoire dans leurs fréquences dans toute la galaxie. Ainsi, alors que la fréquence des WIMP diminuera lentement avec la distance du noyau galactique, les axions doivent former des ondes stationnaires (techniquement, des solitons) dont la fréquence augmente près du noyau galactique. Au-delà de cela, un motif d’interférence complexe devrait créer une région où l’axe est essentiellement absent et une autre région où l’axe est présent avec deux fois l’intensité moyenne.

Difficile à trouver

À quelques exceptions près, la matière noire constitue l’essentiel de la masse des galaxies. Compte tenu de cela, ce modèle d’interférence doit rendre l’attraction gravitationnelle des différentes régions de la galaxie inégale. Si les différences entre les régions sont suffisamment importantes, cela se manifestera très probablement par de légères déviations dans le comportement attendu de la lentille gravitationnelle. Par conséquent, les objets derrière la galaxie doivent toujours apparaître comme des ombres lenticulaires ; Il ne s’est peut-être pas formé comme prévu ou à l’endroit exact auquel nous nous attendions.

La modélisation montre que ces déviations sont suffisamment faibles pour que même le télescope spatial Hubble ne puisse les capter. Mais il peut être possible de les détecter à des longueurs d’onde radio en combinant les données de radiotélescopes très éloignés dans un seul télescope géant. (Cette approche permet au télescope Event Horizon de créer des images de trous noirs.)

Et dans au moins un cas, nous avons ces données. HS 0810+2554 est une galaxie elliptique massive située entre nous et le trou noir actif au cœur d’une autre galaxie. La lentille gravitationnelle créée par la galaxie de premier plan a créé quatre images d’une galaxie active, chacune avec un noyau galactique brillant et deux grands rayons matériels s’étendant à partir de celui-ci. Il est possible de comparer l’emplacement et la distorsion de ces quatre images avec ce à quoi nous nous attendrions sur la base de la présence d’un halo de matière noire caractéristique dans la galaxie de premier plan.

C’est une chose relativement simple à faire avec WIMP, car il n’y a qu’un seul schéma auquel nous pouvons nous attendre : une diminution progressive des niveaux de matière noire à mesure que vous vous éloignez du noyau galactique. Les prédictions d’objectif basées sur cette distribution ne correspondent pas avec succès aux données du monde réel sur l’endroit où l’image apparaît sur l’objectif.

Le défi consiste à effectuer la même analyse basée sur un modèle d’interférence d’axe chaotique : exécutez le modèle deux fois avec des conditions initiales différentes et vous obtenez un modèle d’interférence différent. Ainsi, les chances que des personnes dans des galaxies du monde réel fassent l’objectif sont plutôt minces. Au lieu de cela, l’équipe de recherche a exécuté 75 modèles différents avec des conditions initiales sélectionnées au hasard. Incidemment, j’ai fait certaines de ces distorsions similaires à celles observées dans les données du monde réel, affectant généralement seulement une image sur quatre avec l’objectif. Par conséquent, les chercheurs ont conclu que la distorsion de l’image lenticulaire est cohérente avec un halo de matière noire formé par l’interférence quantique des axions.

Sont-ils vraiment des axions ?

L’analyse d’une seule galaxie ne serait pas un coup critique à tous égards, et il y a toutes les raisons d’être très prudent ici. Par exemple, les chercheurs ont émis plusieurs hypothèses sur la répartition de la matière ordinaire et visible dans les galaxies, qui ont également une influence gravitationnelle. On pense que les galaxies elliptiques sont le résultat de la fusion de galaxies plus petites, ce qui pourrait influencer la distribution de la matière noire de manière subtile et difficile à détecter en traçant la distribution normale de la matière.

Enfin, ce type de recouvrement ne fonctionne que pour des mèches très légères – de l’ordre de 10^-22 électron-volts. En revanche, la masse de l’électron lui-même est d’environ 500 000 électron-volts. Cela rendrait les axions beaucoup plus légers que les neutrinos.

Les auteurs du nouvel article eux-mêmes sont pour la plupart prudents quant aux preuves ici, concluant leur article par la phrase : « Précisez si [WIMP- or axion-based dark matter] Une meilleure reproduction des observations astrophysiques ferait pencher la balance vers l’une des deux classes similaires de nouvelles théories physiques. Mais leur prudence a glissé dans la dernière phrase du résumé, où ils ont écrit “Capacité”. [axion-based dark matter] La résolution de l’anomalie de la lentille, même dans un cas difficile comme HS 0810 + 2554, ainsi que son succès à reproduire d’autres observations astrophysiques, font pencher la balance vers un nouvel axe physique. “

Nous verrons bientôt, sans aucun doute, si les physiciens partagent ces sentiments au-delà des auteurs de l’article et des pairs examinateurs.

Alam Astronomers, 2023. DOI : 10.1038 / s41550-023-01943-9 (à propos des DOI).