Une collision de deux étoiles extraordinairement denses et effondrées dans l'univers lointain fournit des indices potentiels sur l'axion, un candidat à la matière noire proposé pour la première fois il y a un demi-siècle.
Les restes stellaires sont des étoiles à neutrons, les cadavres qui restent après l’effondrement d’étoiles massives sur elles-mêmes. Ces étoiles mortes sont si denses que leurs électrons s’effondrent sur leurs protons, d’où le terme « étoile à neutrons ». Leur extrême densité en fait également un lieu de physique exotique : ils ont notamment été proposé comme source d'axionsune particule hypothétique qui pourrait contribuer au contenu de matière noire de l'univers.
Nouvelle recherche, publié plus tôt ce mois-ci dans Physical Review Letters, impose des contraintes sur la manière dont les particules de type axion pourraient se coupler aux photons, sur la base de données spectrales et temporelles provenant d'une fusion d'étoiles à neutrons située à environ 130 années-lumière.
Les particules de type axion (ou ALP) constituent une classe plus générale de candidats hypothétiques à la matière noire que les axions, et les scientifiques pensent que leur nature pourrait être révélée en étudiant les photons et en limitant la plage de masse des particules. Les particules de type axion produites lors de la fusion d'étoiles à neutrons s'échappent des restes et se désintègrent en deux photons, a écrit l'équipe dans le document, produisant un signal électromagnétique détectable par les télescopes. Les données ont été collectées à partir des observations de la collision de 2017 prises par le télescope à grande surface Fermi (Fermi-LAT).
« Pour une fusion d'étoiles à neutrons, il existe une opportunité unique d'obtenir le signal photonique », a déclaré Bhupal Dev, physicien à l'Université de Washington à Saint-Louis et auteur principal de l'étude, lors d'un appel téléphonique avec Gizmodo. « Nous pourrions utiliser cette étude multi-messagers, ces données, pour sonder une nouvelle physique au-delà du modèle standard. »
Matière noire semble constituer 27% de l’universmais il interagit si faiblement avec la matière ordinaire que les scientifiques ne peuvent que le détecter grâce à ses effets gravitationnels sur ce que nous peut voir. Candidats populaires à la matière noire (c'est-à-dire que les responsables théorisés de l'existence apparente de la matière noire) sont les particules massives à faible interaction (WIMP), les photons cachés (ou sombres), les objets halo compacts massifs (MACHO) et, bien sûr, les axions.
Nommé d'après une marque de détergent à lessive, l'axion est une particule hypothétique proposée dans les années 1970 comme solution à la physique. problème de CP fortqui décrit le fait que l'adhésion des quarks aux lois de la physique reste la même, même lorsque les particules sont remplacées par leurs images miroir.
Les étoiles à neutrons font partie des objets les plus denses de l’univers, battus uniquement par les trous noirs. Contrairement aux trous noirs, la lumière peut s’échapper des étoiles à neutrons, les rendant ainsi observables sur le spectre électromagnétique.
Dev explique que les axions pourraient résulter de fusions d'étoiles à neutrons de plusieurs manières, si les axions se couplent effectivement à des photons. Grâce à la coalescence des photons, des axions émergeraient de photons se rassemblant dans un environnement astrophysique extrêmement chaud et fusionnant. L'autre façon dont les axions pourraient apparaître est le processus Primakoff, dans lequel un photon interagit avec un bain d'électrons, produisant des axions.
L'axion, tel qu'il est proposé, est si petit qu'il se comporte parfois plus comme une onde que comme une particule, ce qui signifie qu'il fuit la scène du crime avec une relative facilité. Mais le proton est (relativement) massif, il faut donc un moment pour que la particule émerge de ce foyer d’interaction. Plus précisément, cela prend 1,7 seconde : le délai observé par les chercheurs entre le signal d’onde gravitationnelle provenant d’une fusion d’étoiles à neutrons et le signal électromagnétique qui en émane.
« Nous recevons beaucoup de photons du ciel. Alors, comment pouvons-nous vraiment savoir que ce signal photonique provient de l’axion ? » » dit Dev. « Cela vient d’une désintégration de la particule, par opposition à des processus astrophysiques dans lesquels les photons disparaissent de la diffusion. Il y a donc une différence dans le spectre. Nous pouvons analyser à la fois les informations temporelles et nous pouvons également analyser les caractéristiques spectrales. Et c’est là que nous pouvons démêler ces types de nouveaux signaux physiques des processus astrophysiques standards.
Des expériences terrestres visent également à réduire les plages de masse potentielles de l’axion. LUX-Zeplin, XÉNON-1Tet le Expérience ALPES II, qui ont commencé leurs opérations en mai 2023, sont tous conçus pour rechercher des axions en profondeur. Mais il y a aussi d'autres projets, comme ADMX et le Éclaireur radio de la matière noire, travaillant à contraindre la plage de masse des photons cachés (ou sombres), une autre classe de candidats à la matière noire. Les générations ultérieures de Dark Matter Radio chasseront les axions.
La nouvelle recherche « donne de nouvelles contraintes sur les particules de type axion, car jusqu’à présent, nous n’avons vu aucun signal d’axions », a déclaré Dev. « Cela nous donne également l’espoir qu’à l’avenir, grâce à ces observations astrophysiques, nous pourrons mieux comprendre les particules de type axion. Et cela sera complémentaire aux recherches en laboratoire qui sont en cours.»
La chasse aux axions ressemble beaucoup à l’utilisation d’un détecteur de métaux sur une très, très grande plage. Le plus souvent, les physiciens et les astronomes ne détectent rien. Mais rechercher dans toute la gamme des masses potentielles des axions et des particules de type axion est le meilleur moyen de les retrouver.
Plus: Qu'est-ce que la matière noire et pourquoi personne ne l'a encore trouvée ?
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