Découverte d’une nouvelle limite sur la masse de la matière noire bosonique
Une étude récente parue dans Physical Review Letters a permis aux scientifiques de déterminer une nouvelle limite inférieure pour la masse des particules de matière noire bosonique ultra-légères.
Bien que la matière noire constitue environ 85 % de la matière de l’univers, son existence ne peut être vérifiée directement : elle est en effet déduite des effets gravitationnels qu’elle exerce sur les structures cosmiques.
Ce manque d’observation directe a empêché les chercheurs d’identifier la nature et la masse précises de la matière noire, qui, selon nos modèles actuels en mécanique quantique, doit être classée parmi deux catégories fondamentales : les fermions ou les bosons.Des travaux antérieurs avaient déjà établi des limites de masse pour la matière noire fermionique, s’appuyant sur le principe d’exclusion de Pauli, qui stipule que deux fermions ne peuvent pas occuper le même état quantique.
Cependant, cette règle ne s’applique pas aux bosons, ce qui ouvre la porte à des possibilités différentes.
L’auteur principal de l’étude, Tim Zimmermann, doctorant à l’Institut d’astrophysique théorique de l’Université d’Oslo, souligne que « l’analyse astrophysique est essentielle pour déterminer ce que la matière noire ne peut pas être ».
Ainsi, cette recherche a permis de conclure que les particules de matière noire bosonique ultra-légères doivent posséder une masse supérieure à 2 × 10^-21 électron-volts (eV), une estimation significativement plus élevée que les précédentes, établies via le principe d’incertitude d’Heisenberg.Méthode d’observation par la galaxie Leo II
Pour arriver à ces résultats, l’équipe s’est concentrée sur l’étude des observations de Leo II, une galaxie naine satellite de la Voie lactée, qui est 1 000 fois moins massive que notre propre galaxie.
Zimmermann explique que « disposer d’un seul instantané de Leo II est crucial, car cela simplifie l’interprétation des données ».
En analysant le mouvement des étoiles dans Leo II, les chercheurs peuvent déduire la répartition de la matière noire au sein de cette galaxie.
Les étoiles, influencées par la masse totale de la galaxie, y compris la matière noire, agissent comme des indicateurs de sa répartition.Pour cela, l’équipe a généré environ 5 000 profils possibles de densité de matière noire compatibles avec les mouvements stellaires observés.
Utilisant un outil connu sous le nom de Gravsphere, qui applique l’équation de Jeans pour modéliser la densité de la matière noire, les chercheurs ont pu aligner ces profils avec les fonctions d’onde quantiques.
L’analyse a montré que lorsque la masse de la matière noire devient trop faible, elle ne peut plus reproduire la distribution observée, en raison de la flou quantique qui l’accompagne.
Ainsi, les résultats de cette étude révisent considérablement les estimations de masse de la matière noire et mettent en lumière des perspectives nouvelles sur la composition possible de cette entité mystérieuse, tout en suggérant que des modèles mixtes pourraient aussi être envisagés à l’avenir.
