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La matière noire pourrait bien être le plus grand mystère de tout l’Univers… Nous savons qu’elle existe, mais nous ne savons pas exactement ce qu’elle est ni comment elle se comporte. Nous ne savons pas non plus comment cette matière invisible s’est formée dans un premier temps.

Selon une nouvelle étude, les origines de la matière noire pourraient être encore plus particulières que ce que l’on supposait auparavant. Selon des chercheurs, il s’agirait peut être de particules apparues quelques fractions de seconde avant même le début du Big Bang. Cela ne suggère pas uniquement un nouveau lien entre la physique des particules et l’astronomie : si cette hypothèse est valable, elle pourrait indiquer une nouvelle manière de rechercher la matière noire…

L’astronome et physicien Tommi Tenkanen de l’Université Johns Hopkins a déclaré : « Si la matière noire est composée de particules formées avant le Big Bang, ces dernières affectent la manière dont les galaxies sont distribuées dans le ciel et ce, de manière unique. Cette connexion peut également servir à révéler son identité et amener de nouveaux éléments quant à ce qui a précédé le Big Bang ».

univers observable echelle logarithmique

Le Big Bang n’a pas eu lieu en un point précis, mais simultanément dans toutes les directions. Et si l’Univers a effectivement un centre, la région d’Univers observable que nous voyons est insuffisante pour nous donner cette information. N’importe quel observateur peut donc virtuellement être le centre de l’Univers, comme sur cette représentation à l’échelle logarithmique de l’Univers observable, centrée sur le Système solaire. Crédits : Pablo

Tout cela est enchevêtré dans l’ordre des événements qui ont eu lieu au début de l’Univers, une période elle-même assez mystérieuse. En effet, à l’heure actuelle, nous pensons qu’il y a eu un événement bien connu sous le nom de Big Bang, mais ce qu’il représente concrètement (et ses implications exactes) restent encore en discussion au sein de la communauté scientifique.

Nous pensons également qu’il y a eu un événement d’inflation cosmique, sur une très courte période de temps (un intervalle de temps si court que nous n’avons pas de nom pour le décrire), lors duquel l’Univers a explosé comme un ballon.

Bien que de nombreux scientifiques pensent que l’inflation se soit produite juste après l’explosion (comme sur l’image ci-dessous), d’autres chercheurs pensent que cet événement est survenu juste avant le Big Bang. De façon générale, « Big Bang » est associé à toutes les théories qui décrivent l’Univers comme issu d’une dilatation rapide. Le terme est également associé, par extension, à l’époque chaude et dense il y a 13.8 milliards d’années.

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inflation cosmique univers

L’histoire de l’Univers. En haut, l’inflation qui génère deux types d’ondes : les ondes gravitationnelles et les ondes de densité. En bas, le rayon de l’Univers visible, à partir du Big Bang (t0), puis l’inflation (blanc/jaune), la formation des protons, le début de la fusion nucléaire, la fin de la fusion nucléaire (3 minutes), jusqu’aux 13.8 milliards d’années qu’a aujourd’hui l’Univers, considéré comme « l’Univers moderne ». Crédits : DrBogdan/Yinweichen/WikimediaCommons

Malheureusement, à l’heure actuelle, nous n’avons aucun moyen de vérifier quelle hypothèse pourrait être correcte. Comme l’a dit plus tôt cette année Avi Loeb, un physicien du Harvard-Smithsonian : « la situation actuelle en matière d’inflation est qu’il s’agit d’une idée tellement flexible qu’elle ne peut être falsifiée à titre expérimental ». Ce dernier mentionnait le fait de savoir si l’inflation cosmique a oui ou non eu lieu (ce qui fait également débat au sein de la communauté scientifique), mais cela est également valable quant au timing de l’événement.

La matière noire, qui, selon les calculs, représente 80% de la matière dans l’Univers, est parfois considérée comme le produit du Big Bang. Cependant, « si la matière noire était vraiment un vestige du Big Bang ; dans de nombreux cas, les chercheurs auraient déjà vu un signal direct de la matière noire dans différentes expériences de physique des particules », affirme Tenkanen.

Au lieu de cela, sa modélisation mathématique suggère que la matière noire aurait pu être un produit de l’inflation cosmique, qui aurait eu lieu avant le début du Big Bang. D’ailleurs, selon la nouvelle étude, la matière noire aurait même pu exister avant l’inflation cosmique, et serait donc une substance existant avant tout le reste des composants de l’Univers primitif. Ce n’est pas la première fois que cette idée a été proposée, mais Tenkanen a pu fournir les mathématiques nécessaires pour soutenir cette idée de manière concrète.

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De ce fait, la nouvelle étude suggère que les particules scalaires pourraient conduire à la matière noire : ce sont des particules avec une rotation de zéro, et la théorie de l’inflation (un champ scalaire a conduit à l’inflation cosmique) suggère qu’elles ont été produites en abondance en une fraction de seconde.

Jusqu’à présent, nous n’avons découvert qu’une seule particule scalaire, le boson de Higgs. Malheureusement, cela n’est d’aucune utilité pour nous aider à comprendre la matière noire (ou alors nous n’avons pas encore découvert en quoi cela pourrait nous aider).

« Nous en apprendrons davantage sur les origines de la matière noire lors du lancement du satellite Euclid en 2022. Ce sera très excitant de voir ce que ce satellite pourra nous révéler sur la matière noire, et ses découvertes pourront très certainement nous permettre d’en apprendre davantage sur le Big Bang », a déclaré Tenkanen.

Il s’agit là de sujets très théoriques, mais ils ont à peu près la même qualité que la matière mystérieuse jouant un rôle clé dans la formation de notre univers. Bien qu’à l’heure actuelle il y ait beaucoup d’études très théoriques concernant la matière noire, il sera dans tous les cas fascinant de voir les avancées dans le domaine de la recherche sur la matière noire au cours de la prochaine décennie.

Source : Physical Review Letters

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