Exoplanètes : des détecteurs naturels géants de matière noire ?

Constituant environ 26% de la densité d’énergie de l’Univers, la matière noire est un élément hypothétique permettant d’expliquer la courbe de rotation des galaxies et la formation des grandes structures cosmiques. Après des années passées à construire des détecteurs souterrains pour espérer détecter la présence de cette insaisissable matière, les astrophysiciens proposent de se tourner vers des détecteurs naturels bien plus grands : les exoplanètes.

Selon certains astrophysiciens, les exoplanètes pourraient interagir avec les halos de matière noire. Pour cette raison, Rebecca Leane, physicienne des particules au SLAC, suggère que nous les recherchions dans la vaste étendue d’exoplanètes de la Voie lactée. Plus précisément, elle pense que nous devrions utiliser pour cela de grands ensembles de géantes gazeuses, des planètes comme Jupiter.

La matière noire peut rester coincée au sein de la gravité des planètes, comme dans des sables mouvants. Lorsque cela se produit, les particules peuvent entrer en collision et s’annihiler, libérant de la chaleur. Cette chaleur peut s’accumuler pour rendre la planète très chaude, en particulier celles proches du centre dense d’une galaxie.

En avril, Leane et son co-auteur, Juri Smirnov de l’Ohio State University, ont publié un article dans la revue Physical Review Letters qui propose que la mesure d’un réseau de températures d’exoplanètes vers le centre de la Voie lactée puisse montrer cette trace révélatrice de matière noire : une chaleur inattendue.

Leur article était basé sur des calculs et non sur des observations. Mais les pics de température prédits par Leane et Smirnov sont sensiblement importants et nous aurons bientôt un thermomètre de pointe : le nouveau télescope spatial James Webb de la NASA devrait être lancé cet automne. Le JWST est un télescope infrarouge, et le télescope spatial le plus puissant jamais construit.

« C’est une approche très surprenante et inventive pour la détection de la matière noire », déclare Joseph Bramante, physicien des particules à l’Université Queen’s. Bramante a déjà étudié la possibilité de détecter de la matière noire sur les planètes. Il dit que la détection de planètes exceptionnellement chaudes pointant vers le centre de la Voie lactée serait une signature très convaincante de la matière noire.

Exoplanètes géantes gazeuses : des détecteurs optimaux de matière noire

La matière noire se déplace généralement librement parmi les îlots de matière classique, ce qui signifie qu’elle passe au-delà des objets sans interagir. Mais lorsque des particules de matière noire entrent en collision avec des particules ordinaires comme des protons, elles ralentissent. Accumuler suffisamment de ces collisions les ralentit trop pour échapper à la gravité d’une planète. Les physiciens s’attendent à ce que lorsque cette « dispersion » et cette capture se produisent, les particules de matière noire puissent entrer en collision et s’annihiler. La matière noire autrefois énergique se désintègre en d’autres particules et en chaleur.

D’autres chercheurs ont examiné comment la matière noire pouvait transmettre de la chaleur aux étoiles à neutrons, aux planètes et à la Lune. Bramante a étudié les limites de flux de chaleur sur Terre et sur Mars. Mais Leane dit qu’il n’y a pas de meilleur laboratoire pour ce processus que les anciennes exoplanètes géantes gazeuses. Alors que les étoiles à neutrons sont extrêmement denses, ce qui peut être utile pour piéger la matière noire, les exoplanètes pourraient être mille fois plus nombreuses.

Elles sont également beaucoup plus grandes, donc plus faciles à repérer : les étoiles à neutrons mesurent environ 20 kilomètres de diamètre, contre 50 000 à 200 000 kilomètres pour les planètes qui intéressent Leane. Et les vieilles géantes gazeuses devraient être froides, de sorte que toute chaleur d’annihilation ressortirait. Les naines brunes font également l’affaire.

Donc, si ces collisions de matière noire se produisent en théorie et que des milliards d’exoplanètes existent, comment pourrions-nous les détecter ? L’incertitude imprègne le cosmos, de sorte que des points chauds isolés ne sont pas impossibles. « En astrophysique, il y a beaucoup d’anomalies. Il est donc tout à fait plausible que vous puissiez avoir une planète arbitrairement trop chaude », explique Leane. Elle et Smirnov voulaient identifier une tendance ; un schéma de températures étranges qui pourraient justifier une explication aussi extravagante.

Chercher des anomalies thermiques au sein des exoplanètes

Ils ont donc pris en compte la densité de matière noire. La matière noire est la plus dense vers le centre de la galaxie. Plus de matière noire devrait signifier plus de collisions. Et avec plus de collisions, il devrait y avoir plus de chaleur. Ils ont calculé comment des planètes aussi massives que plusieurs (de nombreux) Jupiters répondraient à cet effet sous différentes densités de matière noire. Ils ont utilisé des variables telles que la masse, le rayon, la température typique et la vitesse de libération pour relier le flux de chaleur interne d’une exoplanète hypothétique à son « taux de capture » de matière noire.

Cette équation leur a permis de convertir les prédictions existantes sur la distribution de la matière noire dans la galaxie en leurs propres prédictions sur la tendance des températures des planètes. Les exoplanètes les plus proches du centre de la Voie lactée devraient avoir une tendance plus chaude. En fait, selon leurs calculs, les exoplanètes ressemblant à Jupiter — dont nous nous attendrions autrement à avoir des surfaces à des températures inférieures à zéro — peuvent être portées à des milliers de degrés.

La surface d’une planète à moins d’un parsec du centre de la Voie lactée pourrait atteindre plus de 5400 °C, aussi chaude que la surface du Soleil, uniquement à cause du trafic de matière noire. (Contrairement aux étoiles, alors que les surfaces de ces planètes devenaient chaudes, leurs noyaux n’atteignaient pas les températures élevées nécessaires pour démarrer la fusion nucléaire).

Deux méthodes expérimentales pour détecter la matière noire

Leane et Smirnov proposent deux expériences pour prouver leur théorie : locale et distante. Le test local détecterait la matière noire en utilisant des télescopes infrarouges pour lire les températures de surface de nombreuses géantes gazeuses dans notre voisinage galactique, puis en comparant les résultats aux modèles de flux de chaleur. (Les astronomes ont découvert des centaines de ces géantes gazeuses, et ils s’attendent à ce que le télescope Gaia en catalogue des dizaines de milliers au cours de la prochaine décennie).

Le test distant utiliserait les températures de surface des naines brunes et des planètes errantes, qui flottent librement à l’extérieur d’un système — non masqué par les étoiles brillantes voisines — pour rechercher un réchauffement progressif. Trouver des températures inopinément élevées avec un télescope infrarouge comme JWST serait une énorme victoire pour notre compréhension de la matière noire, et trouver une tendance au réchauffement cartographierait la distribution de la matière noire dans notre environnement galactique.

Leane et Smirnov calculent que l’observation des grandes planètes permettrait de détecter plus de matière légère que toute autre méthode existante. Les planètes avec des noyaux relativement froids (par rapport aux étoiles) devraient être plus efficaces pour piéger la matière noire, car un noyau chaud pourrait donner à la matière noire suffisamment d’énergie thermique pour s’échapper. Cela facilite également la détection de taches plus claires de matière noire : les particules plus légères fuient plus facilement.

Leane indique qu’elle a travaillé avec des planétologues pour explorer les prochaines étapes. Elle s’attend à ce que les données JWST provenant d’autres recherches soient suffisantes pour ses analyses, sans avoir à demander de temps de télescope individuel. « Il va y avoir beaucoup d’observations qui se limiteront au centre de la Voie lactée pour différentes raisons. Nous pouvons potentiellement utiliser d’autres recherches ».  Elle espère disposer des données dont elle a besoin dans les cinq ans suivant le lancement du télescope.

Sources : Physical Review Letters