matière noire ultralégère

Un petit monstre se cache dans une galaxie naine, et c'est son voisin qui le nourrit. La galaxie satellite fusionne lentement avec une voisine massive, et le gaz des régions externes tombe vers le centre, où se trouve un trou noir.

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

La forêt nocturne est pleine de lucioles, mais auparavant nous ne voyions que celles qui se trouvaient par hasard dans le faisceau d'une lampe de poche. C'était le cas des sources de rayons X ultra-lumineuses, des points dans d'autres galaxies qui brillent en rayons X plus intensément que ce qu'un trou noir de masse stellaire peut émettre de manière stable.

Dans une galaxie lointaine, la lumière du gaz incandescent aurait dû révéler sa composition. Le télescope James Webb a décomposé cette lumière en spectre, et les astronomes ont vu : les raies de l'oxygène étaient trop faibles.

Un trou noir ressemble à une toupie qui ne s'arrête jamais d'elle-même. Mais si un nuage de particules ultralégères — des bosons — apparaît autour de lui, la donne change. Ce « brouillard » se met à agir comme un frein invisible : les particules extraient la rotation du trou, le forçant à ralentir.

La galaxie n'est pas un lac lisse, mais un étang parcouru d'ondulations. Ces ondulations sont créées par la matière noire ultra-légère (des particules des milliards de milliards de fois plus légères que l'électron).

Au centre de nombreuses galaxies se cachent non seulement des trous noirs supermassifs, mais aussi d'immenses nuages de matière invisible. Si cette matière est composée de particules ultra-légères, elle peut se rassembler en amas denses — une sorte d'« étoiles » de matière noire.

La matière noire reste le fond de basse inaudible de la symphonie cosmique — elle n'émet pas de lumière, mais son attraction gravitationnelle façonne les galaxies. Vera Rubin a capté ce rythme pour la première fois dans les années 1970 en observant la rotation des étoiles.

Dans un champ de la taille d'un grain de sable tenu à bout de bras se cachent des centaines de galaxies, étirées en arcs par l'amas massif Abell S1063.

La matière noire est la charpente invisible qui soutient les galaxies. Mais comment est-elle apparue ? La réponse standard : les particules de matière noire ont cessé de se heurter et se sont « figées » en la quantité que nous observons aujourd'hui. Cependant, il existe une voie plus subtile : l'UFO, ou congélation ultra-rapide.

Dans l'Univers primordial, de minuscules trous noirs ont pu naître — avec la masse d'une montagne, mais la taille d'un noyau atomique. Aujourd'hui, ils pourraient servir d'usines à matière noire.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire, dont Fritz Zwicky a parlé pour la première fois dans les années 1930. Aujourd'hui, les meilleurs candidats sont les axions, des particules au-delà du modèle standard.

Quand un piano tombe dans un précipice, on pense au précipice. Pas à la housse qui recouvre le piano. De la même manière, les astrophysiciens ont pendant des décennies observé les rencontres extrêmes entre de petits corps et de grands trous noirs. Ce qui les intéressait, c'était le trou noir lui-même et ce qui tournait autour.

Une mer qui imprègne tout l'espace reste invisible pour nous. Cette mer, c'est la matière noire, et les vagues à sa surface sont des particules appelées axions. Elles sont si légères et si insaisissables qu'elles traversent la Terre sans même la remarquer.

Un microphone hypersensible qui n'écoute pas le son, mais les frémissements de l'espace lui-même. C'est ainsi que fonctionnent les détecteurs d'ondes gravitationnelles — LIGO, Virgo, KAGRA.

Dans l'accélérateur SuperKEKB, des électrons entrent en collision avec des positrons — et parmi les débris, on trouve des mésons B. Ces particules lourdes vivent peu de temps et se désintègrent en particules plus légères.

Un immense réservoir d'eau ultrapure est caché profondément sous terre au Japon. Ses parois sont tapissées de milliers de lampes sensibles à la lumière qui capturent de faibles flashs — les traces de particules fantômes traversant la masse d'eau.

Une pâte à cake figée est parsemée de minuscules raisins secs. Si la pâte est homogène, tous les raisins gonfleront de la même manière, et le cake sera régulier. Mais si la pâte contient des grumeaux — certaines zones plus sucrées, d'autres plus fades — alors les raisins se répartiront de manière inégale : il y en aura beaucoup à certains endroits, et peu à d'autres.

Si l'on réduisait un trou noir ordinaire à la taille d'un grain de sable, il brillerait comme une petite étoile et disparaîtrait rapidement dans un éclat. C'est la prédiction de Stephen Hawking : l'horizon des événements se comporte comme une surface chaude qui émet des particules.

Deux boules lourdes tournent à la surface d'un étang. Des cercles s'en échappent — ce sont les ondes gravitationnelles. Lorsque les boules se rapprochent, les ondes emportent de l'énergie, et les cercles deviennent plus fréquents.

L'Univers regorge de matière invisible — la matière noire. On ressent son attraction, mais de quoi est-elle faite ? Peut-être un océan de particules ultra-légères, si légères qu'elles se comportent davantage comme des vagues que comme des particules.

En 1987, les astronomes ont observé l'éclat d'une supernova dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan. Ce fut un cadeau rare : l'explosion était assez proche pour capturer non seulement la lumière, mais aussi les neutrinos (des particules quasi insaisissables qui traversent la Terre de part en part).

La nuit, dans une pièce sombre, le corps humain émet une lueur à peine perceptible. Cette lumière est si faible que seuls des instruments très sensibles peuvent la capter. Certains scientifiques ont pensé qu'une telle lueur émanant de la tête pourrait révéler le fonctionnement du cerveau — sans tomographes ni fils. Mais la vérification a montré autre chose.

Dans une cuisine, deux faisceaux de lampes de poche se traversent sans se remarquer. La lumière n'interagit presque pas avec la lumière. Mais si l'on accélère des particules à des énergies énormes, deux photons peuvent entrer en collision et donner naissance à quelque chose de nouveau.

Une onde de choc dans la couronne solaire ressemble à un bang supersonique d'avion, mais au lieu de l'air, c'est du plasma surchauffé, et au lieu du son, c'est un saut de densité et de champ magnétique. Le 10 mars 2024, une telle onde a traversé la partie ouest du disque solaire.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

Un entonnoir géant dans l'espace aspire le gaz environnant. Une partie de ce gaz ne tombe pas à l'intérieur, mais est rejetée vers l'extérieur — comme des éclaboussures d'eau bouillonnante.

Dans le froid profond, à une température de seulement deux degrés au-dessus du zéro absolu, une cavité en cuivre de la taille d'une casserole écoute le silence de l'Univers.

Au cœur des Apennins italiens, sous une épaisse couche de roche, se trouve un cristal qui capture chaque désintégration de l'américium radioactif. L'américium émet des rayons gamma d'une énergie de 59,5 kiloélectronvolts, comme une sonnerie très aiguë qui retentit toujours à l'identique.

Une casserole sur la cuisinière chante lorsque l'eau bout. Une tasse en cuivre vide peut aussi « chanter » à la fréquence des ondes radio, si une particule de matière noire naît à l'intérieur. Ces particules sont appelées axions et, selon une hypothèse, elles remplissent toute la galaxie d'un nuage invisible.

Depuis que Vera Rubin a démontré de manière convaincante que les galaxies sont entourées d'une substance invisible, la quête de la nature de la matière noire reste l'un des défis majeurs de la physique.

La matière noire est une substance invisible qui maintient les galaxies ensemble, mais qui échappe encore à toute observation directe.

Dans le nuage de gaz dense W44, où naissent les étoiles, le télescope ALMA a repéré huit minuscules amas filant à des vitesses énormes. Chacun d'eux apparaît comme une lettre V sur les cartes « position-vitesse », tout comme la « Balle » déjà connue découverte précédemment. Une telle similitude suggère une origine commune.

La matière noire est cinq fois plus massive que la matière ordinaire, mais elle n'émet pas de lumière. Sa nature est inconnue. L'un des candidats est constitué de particules ultra-légères : les axions. Ils peuvent traverser la planète de part en part, sans presque remarquer les atomes.

Au laboratoire DESY, l'expérience ALPS II a été lancée pour traquer les axions — ces particules fantômes hypothétiques dont pourrait être faite la matière noire. Cette masse invisible agit comme une armature qui empêche les galaxies de se disperser sous l'effet de leur rotation.

Le radiomètre ARCADE2, embarqué sur un ballon stratosphérique, a détecté un excès de rayonnement radio, tandis que l'expérience au sol EDGES a observé un creux anormalement profond dans le spectre de l'hydrogène à 21 cm.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+.

Deux maisons avec des façades identiques mais des plans intérieurs différents : de l'extérieur, le spectre en V se ressemble, mais à l'intérieur, les sources de lumière et la quantité de poussière diffèrent. C'est exactement ce que l'on observe pour deux populations de galaxies lointaines que les astronomes ont longtemps confondues.