Pulsar Limite Les Interactions “Fifth Force” Avec La Matière Noire

Une expérience récente visant à mieux comprendre la nature de la matière noire limite à près de zéro la "cinquième force" de la nature.

Une illustration d'artiste montre à quoi pourrait ressembler le pulsar PSR J1713 + 0747 et son compagnon nain blanc.
ESO / L. Calçada

Les scientifiques ont récemment étudié un système binaire pulsar pour contraindre l’existence d’une hypothétique cinquième force fondamentale de la nature.

Nous connaissons déjà quatre forces fondamentales: la gravité, l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles. Cependant, certains effets dans l'univers ne peuvent être expliqués par ces seules forces. Par exemple, une expérience menée en Hongrie en 2016 a montré un comportement inattendu dans la désintégration des noyaux dans l'isotype béryllium-8. (Après avoir filmé des protons sur une feuille de lithium, les observateurs ont vu davantage de paires électron-positron éjectées à un angle de 140 degrés, ce qui est difficile à expliquer avec les théories classiques en physique nucléaire.)

Une possibilité est l’existence d’une "cinquième force" de la nature, qui régit le comportement des particules élémentaires aux côtés des quatre autres forces. Certains scientifiques suggèrent que cette force pourrait travailler sur la matière noire, la substance invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l'univers. Nous pouvons voir les effets de la matière noire sur la matière ordinaire, mais la détection directe a échappé aux scientifiques et sa composition reste inconnue.

Test pour une cinquième force

Un groupe de recherche a testé une cinquième force à l'aide d'un pulsar et de son compagnon étoile nain blanc. Les pulsars, dont les atomes ont été compactés en neutrons, sont si denses que leurs champs gravitationnels extrêmes pourraient améliorer d'éventuelles interactions avec la matière noire. La naine blanche, tout en conservant ses atomes dans la sardine, est loin d'être aussi compacte. La relativité générale prédit que la matière normale devrait tomber librement dans la matière noire, mais une cinquième force capable d'interagir avec la matière normale et la matière noire pourrait renforcer ou atténuer l'attirance de la matière noire. S'il existe une cinquième force, le halo de matière noire de la Voie lactée, dont la densité devrait atteindre son centre au centre de la galaxie, tirera de différentes manières sur l'étoile à neutrons et le nain blanc, modifiant légèrement leur orbite.

Les chercheurs ont choisi le pulsar binaire PSR J1713 + 0747, situé à 3 800 années-lumière de la Terre, dans la direction du centre galactique. On pense que la matière noire est plus peuplée vers le cœur de la galaxie. Le système binaire pulsar constitue donc un test idéal pour déterminer comment une cinquième force agirait sur la matière noire et la matière standard. Les chercheurs ont voulu savoir si les mouvements du pulsar et du nain blanc seraient différents lorsqu’ils se sont mis en orbite.

"S'il existait une cinquième force agissant entre la matière noire et la matière standard, elle ne serait pas universelle", a déclaré Lijing Shao (Institut Max Planck de radioastronomie, Allemagne). "Cela produirait donc une différence apparente pour l'étoile à neutrons et la naine blanche dans leur chute libre vers la matière noire. Ainsi, l'orbite de l'étoile à neutrons serait différente de celle prédite par la relativité générale."

En utilisant 20 années d'observations radio de ce système, les chercheurs ont conclu que, si une cinquième force existe, elle doit avoir moins de 1% de la force de gravité. (Et la gravité est déjà la plus faible des quatre forces connues.) Les résultats apparaissent dans Physical Review Letters.

Les chercheurs ont également découvert que les limites de densité de la matière noire à ce système de pulsars étaient similaires à celles d'autres tests plus proches de la Terre. En d’autres termes, l’équipe n’a ni prouvé ni réfuté d’autres observations montrant que la densité de matière noire augmente vers le centre de la galaxie.

Au-delà de la relativité

Aurélien Hees (Observatoire de Paris), qui n'a pas participé à l'étude, a noté que ce travail est le premier à étudier les interactions entre une cinquième force hypothétique et la matière noire de cette manière. La courte période de rotation du pulsar (à peine 4, 6 millisecondes) et sa rotation stable en font un bon candidat pour limiter les effets de la cinquième force, a-t-il déclaré.

Avec la cinquième force, il explique: "Nous nous attendons à voir quelque chose d'un peu au-delà de la relativité. Nous essayons de le rechercher avec toutes les observations disponibles de la Terre."

Shao dit que son équipe espère étudier plus de pulsars binaires plus près du centre de la galaxie afin de mieux comprendre les effets de la matière noire. Contrairement à la plupart des tests de relativité générale, les chercheurs souhaitent trouver des pulsars se déplaçant sur des orbites relativement lentes autour de leur compagnon. Le défi, bien sûr, consiste à trouver les pulsars en premier lieu. Il a suggéré qu'une percée survienne lorsque le plus sensible Square Kilometer Array sera prêt dans les années 2020. "Les radios télescopes et les matrices plus grandes sont préférables car elles mesurent plus précisément le temps de l'arrivée du signal [pulsar]", a déclaré Shao.