Demandez à Ethan: la matière noire ne peut-elle pas être constituée de particules?

Bien que la majeure partie de la matière noire de la galaxie existe dans un énorme halo qui nous enveloppe, chaque particule individuelle de TM se déplace sur une orbite elliptique sous l'influence de la gravité. Si les particules de TM sont des antiparticules pour elles-mêmes, et nous trouverons comment les exploiter, elles peuvent devenir une source d'énergie idéale.

Tout ce que nous avons jamais trouvé dans l'Univers, de la matière au rayonnement, peut être décomposé en les plus petits composants. Tout dans ce monde est constitué d'atomes, qui sont constitués de noyaux et d'électrons, et les noyaux sont constitués de quarks et de gluons. La lumière est également constituée de particules - photons. Même les ondes gravitationnelles sont théoriquement constituées de gravitons: des particules que nous pourrons un jour obtenir et enregistrer. Et la matière noire? La preuve indirecte de son existence est indéniable et écrasante, mais doit-elle nécessairement être constituée de particules? Voici ce que le lecteur nous demande:

Si l'énergie sombre peut être définie comme l'énergie inhérente au tissu de l'espace, est-ce que ce que nous percevons comme «matière noire» est également une fonction intégrale de l'espace - fortement ou faiblement associée à l'énergie sombre? Autrement dit, au lieu de la MT composée de particules, peut-elle pénétrer tout l'espace avec des effets gravitationnels (homogènes ou non homogènes), ce qui peut expliquer nos observations - quelque chose comme la «masse sombre»?

Examinons les preuves et voyons ce qu'elles nous disent sur les possibilités.


L'expansion (ou la contraction) de l'espace est une conséquence nécessaire d'un univers contenant de la masse. Mais le taux d'expansion et son changement dans le temps dépendent quantitativement du contenu de l'Univers.

L'une des propriétés les plus remarquables de l'Univers est la relation directe entre son contenu et le changement du taux d'expansion au fil du temps. Grâce à de nombreuses mesures minutieuses de diverses sources d'informations individuelles - étoiles, galaxies, supernovae, CMB, structures à grande échelle de l'Univers - nous avons pu mesurer ces deux quantités et déterminer la composition de l'Univers. En principe, nous pourrions imaginer tout un ensemble de tout ce que notre univers pourrait comprendre - mais toutes ces choses auraient des effets différents sur l'expansion cosmique.


Divers composants et contributions à la densité d'énergie de l'Univers et à l'époque de leur éventuelle domination. Si les cordes cosmiques et les murs de domaine existaient en une quantité tangible, ils contribueraient de manière significative à l'expansion de l'Univers.

Grâce à un ensemble complet de données pour aujourd'hui, nous savons en quoi consiste l'Univers:

• 68% - énergie sombre, dont la densité est conservée avec l'expansion de l'espace;
• 27% - la matière noire qui exerce un effet gravitationnel, avec une densité qui diminue avec l'augmentation du volume, n'interagit pas, pour autant que l'on puisse en juger par les mesures, par d'autres interactions;
• 4,9% - matière normale, subissant toutes les interactions physiques, avec une densité diminuant avec l'augmentation du volume, agglomérée et constituée de particules;
• 0,1% - les neutrinos, soumis à des interactions nucléaires gravitationnelles et faibles, sont composés de particules, ne se réunissent que s'ils ralentissent suffisamment pour se comporter comme de la matière et non comme des radiations;
• 0,01% de photons subissant des interactions gravitationnelles et électromagnétiques, se comportant comme un rayonnement; à mesure que le volume augmente, leur densité diminue et la longueur d'onde s'étire.

Au fil du temps, l'importance de ces divers composants a changé et les pourcentages indiqués représentent l'univers d'aujourd'hui.


Le graphique de la vitesse d'expansion apparente (axe y) en fonction de la distance (axe x) correspond à l'Univers, qui dans le passé s'est développé plus rapidement, mais il se développe aujourd'hui. Il s'agit d'une version moderne du graphique, s'étendant des milliers de fois plus loin que le travail principal de Hubble. Différentes courbes correspondent à différentes compositions possibles de l'univers.

D'après nos meilleures mesures, l'énergie sombre a les mêmes propriétés dans différentes régions de l'Univers, dans toutes les directions du ciel et à tous les moments de l'histoire cosmique. En d'autres termes, l'énergie sombre semble homogène et isotrope: c'est la même partout et toujours. Pour autant que nous le sachions, l'énergie sombre n'a pas à être composée de particules; il peut simplement s'agir d'une propriété inhérente au tissu de l'espace.

Cependant, la matière noire en diffère fondamentalement.


Aux plus grandes échelles, l'amas de galaxies observé (bleu et violet) ne peut pas être reproduit dans des simulations (rouge) sans l'utilisation de matière noire

Pour la formation des structures de l'Univers que nous observons, en particulier sur les plus grandes échelles cosmiques, la matière noire doit non seulement exister, mais également avoir la capacité de s'agglutiner. Il ne peut pas avoir la même densité dans tous les endroits de l'espace; il doit être concentré dans les régions à haute densité et être clairsemé ou simplement absent dans les régions à faible densité. Nous pouvons dire avec précision la quantité de TM contenue dans différentes régions de l'espace en effectuant diverses observations. Et voici les trois observations les plus importantes.


Les données sur les amas à grande échelle (points) et les prévisions basées sur un univers contenant 85% de matière noire et 15% de matière normale (ligne continue) sont incroyablement précises. La courbure de la ligne indique la température du TM; le degré de déviation caractérise le rapport de la matière sombre et ordinaire.

1) La densité spectrale de la matière : il est nécessaire d'établir la localisation de la matière dans l'Univers, de voir à quelle échelle la corrélation des galaxies est visible - une mesure de la probabilité de présence de galaxies à une certaine distance de la galaxie sélectionnée - et de tout marquer. Si l'Univers était constitué de matière homogène, la structure résultante serait floue. Si la MT dans l'Univers ne s'agglutinait pas au tout début du développement, la structure à petite échelle serait détruite. La densité spectrale de la matière nous indique qu'environ 85% de la matière dans l'Univers appartient à la TM, qui est complètement différente des protons, des neutrons et des électrons, et cette TM est apparue froide, ou avec une faible énergie cinétique par rapport à sa masse au repos.


La distribution de masse dans l'amas de galaxies Abell 370 recréé par lentille gravitationnelle montre deux halos de masse grands et ouverts correspondant à deux amas de fusions de HM. Autour et à travers le volume de chaque galaxie, de chaque amas et d'amas massifs de matière, il y a en moyenne 5 fois plus de MT.

2) Lentille gravitaire . Si vous regardez un objet massif, comme un quasar, une galaxie ou un amas de galaxies, vous verrez comment sa présence déforme la lumière des objets derrière lui. Puisque nous connaissons les lois de la gravité contrôlées par la relativité générale d'Einstein, basées sur la courbure de la lumière, nous pouvons calculer la quantité de masse présente dans chaque objet. Grâce à tout un ensemble de méthodes différentes, nous pouvons déterminer la quantité de masse présente dans la matière normale: étoiles, gaz, poussière, trous noirs, plasma, etc. Et encore une fois, nous constatons qu'en moyenne, 85% de la matière devrait être liée au HM, et en outre, le HM est distribué d'une manière plus diffuse, semblable à un nuage, contrairement à la matière normale dense. Ceci est confirmé par une lentille faible et forte.


La structure des salves de rayonnement relique varie en fonction du contenu de l'Univers

3) Rayonnement relique . Si nous étudions la lueur résiduelle du rayonnement restant du Big Bang, nous pouvons constater qu'il est approximativement uniforme: 2,725 K dans toutes les directions. Si vous plongez dans les détails, il deviendra clair qu'il présente de minuscules imperfections de l'ordre de dizaines et centaines de microns à toutes les échelles angulaires. Ces fluctuations nous disent beaucoup de choses importantes, y compris le rapport des densités de matière normale, de matière noire et d'énergie sombre, mais la chose la plus importante dont ils parlent est de savoir à quel point l'Univers était uniforme à l'âge de 0,003% du courant, puis ses sections les plus denses n'étaient que 0,01% plus dense que le moins dense. En d'autres termes, la matière noire a commencé à être complètement uniforme et a fini par se regrouper!


Une étude détaillée de l'Univers suggère qu'il est constitué de matière, mais pas d'antimatière; que la matière noire et l'énergie noire doivent y être présentes, et que les sources de ces substances mystérieuses nous sont inconnues. Cependant, les fluctuations du rayonnement CMB, la formation et la corrélation entre les structures à grande échelle et les observations modernes de lentilles gravitationnelles - tout cela converge dans la même image.

Après avoir rassemblé tout cela, nous arrivons à la conclusion que TM est obligé de se comporter comme un liquide imprégnant l'Univers. Ce liquide a une pression et une viscosité négligeables, il réagit à la pression de radiation, il n'entre pas en collision avec des photons ou de la matière normale, il est né froid et non relativiste, et il s'agglutine sous l'influence de sa propre gravité. Il contrôle la formation des structures de l'Univers aux plus grandes échelles. Il est extrêmement inhomogène et l'ampleur de son hétérogénéité augmente avec le temps.



Voici ce que nous pouvons en dire à plus grande échelle - là où il y a des observations. À petite échelle, nous soupçonnons - mais ne sommes pas sûrs - que la matière noire est constituée de particules aux propriétés qui la font se comporter à grande échelle au fur et à mesure. Nous supposons cela parce que l'Univers, à notre connaissance, est simplement constitué de particules, et c'est tout! Si c'est de la matière, si elle a de la masse, alors elle a aussi un double quantique - et à un certain niveau ce devrait être des particules. Mais jusqu'à ce que nous détections directement cette particule, nous n'avons aucun moyen de rejeter une autre possibilité - que la TM soit un certain champ qui se comporte comme un liquide, mais affecte l'espace-temps de la même manière que les amas de particules.


Les restrictions expérimentales sur la matière noire, constituée de WIMP , sont extrêmement strictes. La courbe la plus basse exclut les sections efficaces et les masses TM pour tout ce qui se trouve au-dessus

Par conséquent, les tentatives de détection directe de la MT sont si importantes! En tant que théoricien qui a rédigé son doctorat sur le thème de la formation de structures à grande échelle, je comprends très bien que nous pouvons accomplir beaucoup dans le domaine de la prévision des observations à grande échelle. Mais ce que nous ne pouvons pas faire théoriquement, c'est de dire si la MT est constituée de particules ou non. La seule façon de vérifier cela est de le détecter directement; sans cela, des preuves indirectes convaincantes peuvent être recueillies, mais elles ne seront pas concluantes. Apparemment, il n'est en aucun cas lié à l'énergie sombre, car cette dernière est vraiment uniforme dans tout l'espace, et les prédictions nous disent assez précisément comment elle interagit par la gravité et d'autres interactions à grande échelle.


Les flux de matière noire contrôlent l'accumulation de galaxies et la formation de structures à grande échelle - cela peut être vu dans cette simulation de KIPAC / Stanford

Mais s'agit-il de particules? Jusqu'à ce que nous découvrions cette particule, nous ne pouvons que spéculer à son sujet. L'univers démontre son essence quantique, au moins pour tous les types de matière, il est donc logique de supposer que la matière noire sera la même. Cependant, il ne faut pas oublier qu'un tel raisonnement a ses limites. Après tout, au final, tout et partout obéit aux mêmes règles, mais seulement jusqu'à ce qu'il cesse de leur obéir! Avec TM, nous sommes en territoire inconnu, et il est très important de maintenir la modestie face aux grands mystères de l'univers.