La matière noire défiée par les étoiles à neutrons

The English version of this post, in which I address the existence of neutron stars as a probe for specific models of dark matter, has been released a bunch of months ago, here.

Cela fait à présent deux semaines que je suis de retour de vacances, et je n’ai pas encore pris le temps d’écrire le moindre post en français. Je ne vais pas dire honte à moi, mais presque. Allons-y donc! Pour la rentrée, je vais parler d’astrophysique et de cosmologie.

Les étoiles à neutrons sont des objets astrophysiques pour lesquels nous avons des tonnes de données. Ce qui est une situation complètement opposée à celle de la matière noire dont la détection directe nous échappe toujours.

Par conséquent, il existe plusieurs centaines de scénarios de physique mettant en jeu de la matière noire. L’un d’entre eux parle de ce qui est appelé matière noire baryonique où la particule de matière noire est un baryon.

Oui je sais, cela fait très intuitif: baryonique est lié au mot baryon... J’expliquerai plus loin ce que tout cela est…

Ce scénario est devenu, au moins durant un moment, assez attractif en raison de désaccords entre différentes expériences mesurant la durée de vie du neutron. A nouveau, voir plus loin.

Et qui dit neutrons, peut penser aux étoiles à neutrons. Et voilà la question du jour. Est-ce que les étoiles à neutrons peuvent être connectées aux scénarios de matière noire baryonique?

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LA MATIERE NOIRE

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La matière noire est aujourd’hui un concept assez standard. Lorsque l’on considère l’ensemble des données cosmologiques et que l’on tente de les expliquer, la meilleure option implique de postuler que la plus grande partie de la matière est de nature inconnue. C’est cela que l’on appelle matière noire.

Les mots matière noire définissent exactement ce qu’est cette chose.

Il y a tout d’abord la partie ‘noire’. La matière noire (ou parfois dite sombre) l’est car elle est insensible à l’électromagnétisme. L’électromagnétisme est l’une des quatre interactions fondamentales, et les interactions correspondantes, au niveau microscopique, sont véhiculées par les photons (aussi connu comme les particules de lumière). Et voici notre qualificatif de noir (ou sombre), par opposition à lumineux.

Ensuite, nous avons la partie ‘matière’. Là, c’est plus simple. La matière noire doit agir gravitationellement, comme de la matière normale. Donc la matière noire est de la matière. Facile non?

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BARYONS

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En début de post, j’ai mentionné le mot ‘baryon’. Ou plutôt ‘matière noire baryonique’. Il est à présent temps de définir ce concept.

En physique des particules, on appelle généralement baryon toute particule faite de trois quarks. Les quarks sont les constituants de la matière les plus élémentaires et se trouvent partout, même dans le fromage allemand.

Les quarks sont sensibles à l’interaction forte, la plus forte des quatre interactions fondamentales (d’où son nom… pas beaucoup d’originalité ici). Cette interaction est si forte qu’en fait, les quarks n’existent pas librement dans la nature et forment plutôt des états composites, comme illustré dans l’image à gauche.

Les baryons sont l’ensemble des états composites faits de trois quarks. Les baryons les plus connus sont sans nul doute les protons et neutrons qui forment les noyaux atomiques. Mais il faut garder à l’esprit que la zoologie des baryons regroupe des dizaines et des dizaines d’espèces.

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MATIERE NOIRE BARYONIQUE

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Mais on peut aller plus loin avec nos baryons. On peut les upgrader en symétrie (les physiciens adorent les symétries).

• A tout baryon, on associe un nombre baryonique qui vaut +1.
• A tout antibaryons (comme un antiproton ou un antineutron), on associe un nombre baryonique de -1.
• A toute autre particule, le nombre baryonique est de 0.

Ensuite, on impose au nombre baryonique d’être conservé lors de toute réaction. Tout comme la charge électrique. Oui mais ensuite? Et bien facile: on peut émettre l’hypothèse de matière noire baryonique.

On prend de la matière noire, qui bien qu’elle ne soit pas faite de quarks, possède un nombre baryonique non nul. Cette hypothèse dictera ensuite la façon dont la matière noire interagira avec le monde visible.

Bien sûr, on ne peut pas construire notre modèle n’importe comment, car on a des données à reproduire. Mais la forme des données nous montre qu’il existe des façons de construire un modèle de matière noire baryonique où l’accord avec les données est excellent.

Ces modèles prédisent en général que la matière noire baryonique va bousculer (et le mot est faible) les propriétés des neutrons. On pourrait se dire que du coup, on est maudit… Mais en fait, non! Il y a des problèmes dans les observations des neutrons et de leurs propriétés… et les modifications induites par une particule de matière noire baryonique (choisie plus légère que le neutron) permettent de les résoudre!

Il existe en effet diverses expériences qui tentent de mesurer la durée de vie du neutron, et ces expériences donnent des résultats non compatibles entre eux. En présence de matière noire baryonique, un neutron peut cependant se désintégrer en matière noire (les deux bestioles sont des baryons). En fait, c’est juste ce qu’il nous fallait pour rétablir l’accord entre les expériences.

Mais quid des étoiles à neutrons? La matière noire baryonique devrait aussi tout chambouler de ce côté-là...

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LES ETOILES A NEUTRONS ET LA MATIERE NOIRE BARYONIQUE

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Comme vous le savez sans doute, les étoiles à neutrons font partie des objets les plus compacts de l’univers. Elles naissent de la mort d’étoiles massives une fois que le cœur de ces dernières s’écroule gravitationellement. Tous les protons et électrons présents au sein de l’étoile mourante (à ne pas confondre avec l’étoile de la mort) se retrouvent alors à s’annihiler pour donner lieu à un bon tas de neutrons.

Récemment, un petit groupe de collègues se sont mis à évaluer comment la matière noire baryonique, qui affecte fortement les neutrons, pourrait affecter les étoiles à neutrons (qui contiennent, comme vous pouvez le deviner, des neutrons). Leurs calculs ont montré que l’existence de matière noire baryonique ne permettait pas aux étoiles à neutrons plus lourdes que le soleil d’exister.

Et bien entendu, ceci est en désaccord total avec les observations. Par conséquent, la matière noire peut difficilement être considérée comme baryonique… A part si on rend les modèles méchamment compliquées (ce que les physiciens, moi le premier, n’aiment pas en général).

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PETIT RESUME

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Parmi tous les modèles de matière noire sur le marché, certains exploitent le concept de matière noire baryonique. Dans ce cas-là, les particules de matière noire sont des baryons, comme les neutrons et protons. Dans ce cas-là, les propriétés des neutrons peuvent être affectées fortement, surtout si la masse des particules de matière noire est inférieure à la masse du neutron.

Bien que cela semble complètement fou de vouloir saboter les propriétés des neutrons, il existe des mystères expérimentaux qui peuvent être alors résolus. Car dans le cas de la matière noire baryonique, un neutron peut se désintégrer en matière noire.

Malheureusement, cela voudrait aussi dire que les étoiles à neutrons plus massives que le soleil, qui ont été observées par monts et par vaux, ne peuvent pas exister. Ohoh… nous avons donc un souci: la matière noire ne pourrait être baryonique que dans le cas de modèles affreusement complexes…

Chaque jour, on en apprend ainsi un peu plus sur ce que la matière noire, si elle existe, peut ou ne peut pas être.

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