La matière noire n’était peut-être pas « froide » dans les premiers instants après le Big Bang, comme on l’a longtemps cru ; au lieu de cela, de nouvelles recherches de l’Université du Minnesota Twin Cities et de l’Université Paris-Saclay suggèrent que les particules de matière noire auraient pu être incroyablement chaudes, se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans le cosmos primordial, avant de se refroidir à temps pour amorcer la formation de galaxies et de structures à grande échelle.
Pendant des décennies, les physiciens ont classé la matière noire en fonction de la vitesse à laquelle ses particules constitutives se déplaçaient, la matière noire froide étant suffisamment lente pour s’agglutiner sous l’effet de la gravité et contribuer à façonner les galaxies et les amas de galaxies.
Ce modèle a joué un rôle central dans le cadre cosmologique standard, expliquant la structure en forme de toile de l’Univers.
Mais les nouvelles découvertes suggèrent que la matière noire aurait pu se découpler du plasma chaud de l’Univers primitif alors qu’elle était encore ultrarelativiste – essentiellement à des vitesses extrêmement élevées – et s’être ensuite suffisamment refroidie avant la formation des structures cosmiques.
Cette image nuancée élargit la gamme de comportements possibles des particules de matière noire et élargit le spectre des particules candidates que les physiciens pourraient étudier dans le cadre d’expériences et d’observations astronomiques.
L’étude s’articule sur une période du cosmos primitif connue sous le nom de réchauffement, qui a suivi l’expansion explosive de l’Univers appelée inflation.
Au cours du réchauffement post-inflationniste, l’énergie motrice de l’expansion s’est transformée en une soupe chaude de particules et de rayonnements.
Les résultats indiquent que, sous certaines conditions, la matière noire produite à cette époque pourrait commencer sa vie à des vitesses proches de la lumière tout en restant conforme à l’Univers à grande échelle que nous voyons aujourd’hui.
Si elles sont exactes, elles pourraient avoir de profondes implications sur les efforts en cours visant à détecter la matière noire, que ce soit au moyen de collisionneurs de particules, de détecteurs souterrains ou d’observations astrophysiques.
Ils soulèvent également de nouvelles questions théoriques sur les propriétés fondamentales de la matière noire et son rôle dans l’évolution cosmique.
« La matière noire est notoirement énigmatique », a déclaré Stephen Henrich, étudiant diplômé à l’Université du Minnesota.
« L’une des rares choses que nous savons à ce sujet, c’est qu’il doit faire froid. »
« En conséquence, au cours des quatre dernières décennies, la plupart des chercheurs ont cru que la matière noire devait être froide lorsqu’elle naissait dans l’Univers primordial. »
« Nos résultats récents montrent que ce n’est pas le cas ; en fait, la matière noire peut être brûlante à sa naissance mais avoir encore le temps de se refroidir avant que les galaxies ne commencent à se former. »
« Le candidat le plus simple à la matière noire – un neutrino de faible masse – a été exclu il y a plus de 40 ans car il aurait anéanti les structures de taille galactique au lieu de les ensemencer », a déclaré le professeur Keith Olive de l’Université du Minnesota.
« Le neutrino est devenu le meilleur exemple de matière noire chaude, où la formation de structures repose sur de la matière noire froide. »
« Il est étonnant qu’un candidat similaire, s’il avait été produit au moment même où le chaud univers du Big Bang était en cours de création, aurait pu se refroidir au point où il agirait en fait comme de la matière noire froide. »
« Grâce à nos nouvelles découvertes, nous pourrons peut-être accéder à une période de l’histoire de l’Univers très proche du Big Bang », a déclaré le professeur Yann Mambrini, physicien à l’Université Paris-Saclay.
Le travail de l’équipe apparaît dans la revue Physical Review Letters.
