Une expérience s’appuie sur les pulsars pour sonder les ondes de matière noire

Une énigme cosmique toujours irrésolue

La matière noire constitue l’un des plus grands mystères de la physique moderne. Bien que les modèles théoriques prédisent qu’elle compose la majeure partie de la matière présente dans l’univers, elle demeure insaisissable pour les techniques expérimentales conventionnelles. En effet, elle n’émet, n’absorbe ni ne reflète la lumière, ce qui la rend extrêmement difficile à détecter. Si des études passées ont pu rassembler des indices indirects de son existence, aucune observation directe n’a jamais été réalisée, laissant sa composition exacte dans le domaine de l’inconnu.

Parmi les hypothèses étudiées, l’une suggère que la matière noire serait constituée de particules de type axion à la masse extrêmement faible, généralement désignées sous le terme de matière noire ultralégère de type axion (ALDM). En raison de cette légèreté extrême, les prédictions indiquent que ces particules se comporteraient davantage comme des ondes que comme des particules individuelles à l’échelle galactique.

Une caractéristique intrigante de ces particules de matière noire ultralégère réside dans leur comportement ondulatoire prédit lorsqu’elles sont observées à des échelles astronomiques. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que l’ALDM inciterait la lumière linéairement polarisée d’une série de pulsars à onduler, provoquant une oscillation distincte de sa polarisation alors qu’elle traverse le halo galactique.

Le réseau de polarisation des pulsars : une nouvelle méthode

Pour tenter de percer ce mystère, la collaboration PPTA, une vaste équipe de chercheurs basés dans différents instituts à travers le monde, a mis en œuvre une approche inédite. Leur méthode consiste à rechercher l’ALDM en effectuant une corrélation croisée des données de polarisation des pulsars, ces étoiles à neutrons qui tournent rapidement sur elles-mêmes et émettent des faisceaux d’ondes radio très réguliers. Cette technique, baptisée « Pulsar Polarization Array » (PPA) ou Réseau de Polarisation de Pulsars, implique la mesure des angles de position de polarisation d’une série de pulsars, ainsi que l’analyse de leurs changements dans le temps et par rapport à leur position spatiale.

L’objectif de cette approche est de mettre en évidence des modèles de corrélation dans ces changements qui pourraient s’expliquer par la présence de matière noire ultralégère. Les premiers résultats obtenus par cette étude du PPTA ont fait l’objet d’une publication dans la revue spécialisée Physical Review Letters. Tao Liu, auteur correspondant de l’article, explique la genèse du projet à Phys.org : « En remontant à 2021, nous avons proposé de construire un PPA en utilisant les données collectées par les programmes de chronométrage de pulsars (PTA), le positionnant comme un outil de polarimétrie innovant pour explorer l’astrophysique et la physique fondamentale. »

Le chercheur précise l’application scientifique visée par l’équipe : « Nous avons identifié la détection de l’ALDM par l’effet de biréfringence cosmique induit par son couplage de Chern-Simons comme une application scientifique convaincante pour le PPA. » Cette méthode offre ainsi une nouvelle perspective pour valider ou invalider certaines théories actuelles.

Dix-huit ans de données au télescope de Parkes

Pour évaluer la pertinence de leur approche dans la recherche de l’ALDM ultraléger, les scientifiques ont rassemblé des données de polarisation provenant de pulsars en rotation rapide observés par le radiotélescope de Parkes. Cet observatoire de radioastronomie est situé à proximité de la ville de Parkes, en Australie. Jing Ren, une autre auteure de contact de l’étude, souligne l’importance de cet outil : « Cela fait du PPA une occasion remarquable d’étudier ce paradigme représentatif de la matière noire et de faire progresser notre compréhension de la nature de la matière noire. »

La mise en œuvre concrète de cette analyse a reposé sur une base de données conséquente. Tao Liu détaille le processus : « Nous nous sommes lancés dans cette recherche ambitieuse de l’ALDM ultraléger, en examinant les ondulations anticipées dans la polarisation des pulsars PPA qui signifieraient une influence à l’échelle de la galaxie, avec un fort soutien de l’équipe PPTA. » Il ajoute une précision quant aux données utilisées : « Pour établir le premier PPA, nous avons utilisé les données de polarisation de 22 pulsars millisecondes fournies par la troisième publication de données du PPTA, qui couvre une période d’observation allant jusqu’à 18 ans. »

Liu et ses collègues ont examiné minutieusement l’angle de position de polarisation de chacun des 22 pulsars pour observer ses variations au fil du temps. Ils ont procédé à l’élimination des sources de bruit et des fluctuations aléatoires présentes dans les données, avant de tenter de découvrir des modèles de corrélation des signaux de polarisation à travers l’ensemble des pulsars étudiés.

Des limites inédites sur le couplage de la matière noire

L’analyse de ces données complexes a nécessité une méthodologie rigoureuse. « Le développement d’un cadre d’analyse approprié, incluant la modélisation du bruit, a été crucial dans notre recherche étant donné la nature innovante de cette méthode », indique Jing Ren. Ce travail préparatoire a permis de filtrer les interférences pour se concentrer sur les signaux potentiellement significatifs.

Les résultats de cette corrélation croisée ont permis d’avancer dans la compréhension du phénomène. Jing Ren explique : « Finalement, en corrélant efficacement les données des pulsars au sein de la galaxie, ce cadre nous a permis d’identifier la signature clé de la matière noire de type axion ultralégère : des résidus de polarisation présentant un modèle d’onde spécifique au fil du temps et sur de vastes distances astronomiques. »

Grâce à l’étude du PPA qu’ils ont identifié, les chercheurs ont pu définir de nouvelles contraintes sur la force avec laquelle l’ALDM ultraléger interagirait avec la lumière. Tao Liu résume l’impact de leurs travaux : « Notre recherche établit les limites les plus fortes sur le couplage de Chern-Simons de l’ALDM ultraléger dans sa gamme de masse centrale, représentant une avancée significative. » Ces efforts suggèrent que les PPA pourraient ouvrir une voie très précieuse pour la détection des signatures ondulatoires associées à ce type de matière noire.

Vers une nouvelle génération de détecteurs

L’avenir de cette méthode de détection s’annonce prometteur avec l’arrivée de nouvelles technologies. Tao Liu exprime son enthousiasme pour les prochaines étapes : « Il s’agit de la toute première analyse PPA, et avec les capacités des radiotélescopes de nouvelle génération comme FAST et SKA pour surveiller plus de pulsars avec une plus grande précision de polarisation, nous sommes enthousiastes quant au potentiel du PPA pour explorer davantage cet important scénario de matière noire dans les années à venir. »

Dans le futur, l’équipe envisage de mener des analyses supplémentaires et d’établir davantage de PPA en utilisant des ensembles de données de polarisation de pulsars nouvellement compilés. D’autres équipes de physiciens pourraient s’inspirer de leurs travaux pour introduire des méthodes similaires. « Les ensembles de données de polarisation de pulsars actuels et à venir provenant de divers programmes astronomiques sont vastes, les données du PPTA n’étant qu’un exemple », ajoute Jing Ren.

La chercheuse conclut sur la nécessité de combiner les approches pour résoudre les grands mystères de l’univers : « Cette entreprise scientifique peut être élevée à un niveau supérieur au cours de la décennie à venir, élargissant encore nos explorations. De plus, nous explorons la synergie entre la polarisation des pulsars et les signaux de chronométrage. Pour faciliter une investigation plus systématique du puzzle de la matière noire et potentiellement d’autres enquêtes scientifiques, il est essentiel de combiner le PPA avec des outils astronomiques complémentaires comme le PTA. »

Selon la source : phys.org

Créé par des humains, assisté par IA.