This is a French adaptation of this older post on dark nuggets of dark matter. For more information in English, please have a look there ;)
Comme promis à @planetenamek et @roxane, voici un petit article en français. Je sais, ça faisait longtemps mais mon rythme d’écriture a pas mal diminué ces temps-ci. On a le temps qu’on a, n’est-ce pas. Pas une seconde de plus ;)
[image credits: NASA]
Bref, dans cet article, je vais parler de matière noire.
La matière noire consiste en l’une des plus importantes énigmes actuelles de la physique des particules et de la cosmologie. Y a-t-il de la matière noire dans l’univers et si oui, qu’est-ce exactement?.
Dans ce post, je vais parler d’une publication scientifique que j’ai lue il y a 3-4 mois et qui discute des pépites de matière noire (ou ‘nuggets’ en anglais, d’où le titre de ce post un peu attrape-touriste :p).
MATIERE NOIRE… OU PAS
Avant d’entrer dans le vif du sujet, parlons un peu de matière noire en général. Dans le cadre du modèle standard cosmologique, l’énergie présente dans l’univers est répartie en trois composantes: la matière normale (ou visible), la matière noire et l’énergie noire.
Oublions l’énergie noire car ce n’est pas le sujet.
Il se trouve que la plus grosse partie de la matière présente dans l’univers est d’origine inconnue. C’est cela que l’on appelle matière noire (ou parfois matière sombre qui est actuellement un peu plus correct sémantiquement).
[image credits: Wikipedia]
Le nom ‘matière noire’ vient de ses propriétés:
La matière noire interagit de façon gravitationnelle tout comme la matière normale. Pour cette raison, nous avons le mot ‘matière’ dans ‘matière noire’.
La matière noire n’est pas sensible à l’électromagnétisme. Pour cette raison, nous avons le mot ‘noir’ (ou ‘sombre’) dans ‘matière noire’ (ou ‘matière sombre’). L’électromagnétisme est effectivement connecté à la lumière, et le noir/sombre contraste avec la lumière.
Il y a aujourd’hui un grand nombre de preuves indirectes en faveur de la matière noire. la cosmologie standard explique parfaitement des observations comme la formation des grandes structures dans l’univers, les courbes de rotation des galaxies, les lentilles gravitationnelles, le fonds diffus cosmologique, etc.
Au vu de ces motivations, un très grand nombre d’expériences traquent sans relâche la matière sombre afin de pouvoir l’observer directement. Malheureusement, aucun signal n’a été détecté. De même, le LHC au CERN n’a pas réussi à ‘détecter’ (j’expliquerai les guillemets un autre jour) des traces potentielles de matière noire.
Par conséquent, les théories alternatives sans matière noire sont également très populaires aujourd’hui. Ces dernières sont par ailleurs tout autant viable que les modèles avec de la matière noire.
Pour les mêmes raisons, des modèles de matière noire plus complexes (ou même loufoques parfois) sont développés par les physiciens. C’est de l’un d’entre eux que je vais parler ici.
UN PEU DE PHYSIQUE ATOMIQUE
Je me permets une petite parenthèse (utile) avant de continuer…
[image credits: unknown (everywhere)]
Ici à gauche, nous avons une représentation assez standard d’un atome.
L’atome est constitué d’un noyau atomique autour duquel orbitent des électrons.
Au contraire des électrons, le noyau atomique n’est pas élémentaire et possède une sous-structure : il est fait de neutrons et de protons.
Il est intéressant de se pencher sur la raison pour laquelle les noyaux atomiques sont stables.
Les forces électromagnétiques font que les protons ont tendance à se repousser l’un l’autre. Elles agissent donc en vue de briser la structure atomique. Heureusement, les interactions fortes viennent à la rescousse, compensent les effets électromagnétiques et assurent la cohésion de l’ensemble.
Pour résumer, l’action combinée des interactions fortes et électromagnétiques permet d’expliquer quel noyau atomique est stable et quel noyau atomique est instable.
LA NUCLEOSYNTHESE PRIMORDIALE - LE BIG BANG ET LES PREMIERS INSTANTS DE l’UNIVERSE
Revenons un bon moment en arrière, au temps d’un univers extrêmement chaud où protons et neutrons se baladent un peu partout. Des réactions de fusion nucléaire ont alors lieu de façon continue.
[image credits: Martin White]
Neutrons et protons peuvent ainsi se combiner aisément afin de former des noyaux d’hydrogène (ça c’est facile, c’est juste un proton et il n’y a rien à combiner), d’hélium, de deutérium et de lithium (voir la figure à droite).
Mais ensuite, tout se complique…
Il n’existe aucun noyau atomique stable avec 5 (ou 8) neutrons et protons, et il faut faire appel à des mécanismes plus compliqués pour produire des éléments plus lourds que ceux mentionnés ci-dessus.
On ne peut effectivement pas juste ajouter un neutron ou un proton à quelque chose qui existe déjà vu qu’il y a ce trou au niveau des éléments à 5 et 8 protons et neutrons.
Par exemple, le carbone ne pourra être produit que par fusion de trois noyaux d’hélium.
ET NOS NUGGETS OU PEPITES DE MATIERE NOIRE DANS TOUS CA?
Pour revenir à nos pépites de matière noire, il suffit de reproduire tout ce qui a été dit, mais en le rendant plus sombre. Les fans de Star Wars vont m’adorer…
Tout d’abord, imaginons l’existence d’un zoo de particules noires. Nous avons d’un côté les particules standards que nous connaissons, et d’un autre côté un tas de particules noires inconnues qui vivent leur vie.
[image credits: pixabay]
Les interactions des particules sombres ne sont pas les interactions usuelles mais consistent en des forces sombres.
Ces forces sombres peuvent en particulier inclure un équivalent noir de l’électromagnétisme et des interactions fortes.
Et voilà, nous avons tous les ingrédients pour expliquer la formation de noyaux atomiques noirs durant les premiers moments de l’univers!
Ces noyaux noirs sont appelés pépites de matière noire.
Allons plus loin et éliminons à présent l’équivalent noire de l’électromagnétisme. Du coup, des pépites sombres à 5 ou 8 constituents peuvent exister, et l’on obtient une formation possible de pépites de matière noire extrêmement grandes!
DISCUSSION ET REFERENCES
Est-ce que cette histoire de pépites de matière doit être prise au sérieux? Bah en fait, pour le moment: oui. Les théories avec une composante sombre sont assez usuelles en physique des particules.
De plus, à partir de deux particules noires, on arrive à prédire la formation de pépites. La partie sombre de la théorie peut donc être toute simple.
Mais la question importante est la suivante. Les pépites de matière noire sont-elles compatibles avec les observations? Les physiciens planchent là-dessus, et il faut donc falloir attendre un peu. En attendant, les pépites noires ont quelques beaux jours devant elles :)
Plus d’informations peuvent être obtenues dans le cet article récent parlant de ces pépites, où dans cet article où l’idée a été mentionnée pour la première fois.
PS: Aucun nugget de poulet n’a été carbonisé durant l’écriture de cet article.
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