Image ©Lars Nissen Photoart Au cours des dernières décennies, les cosmologistes ont effectué des mesures et des observations qui nous ont permis de reconstruire le passé de notre univers avec des détails incroyables.
L'évolution de la cosmologie
Hooper est chercheur principal au Laboratoire national des accélérateurs de Fermi et professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Chicago, auteur de At the Edge of Time: Exploring the Mysteries of Our Universe's First Seconds.
Nous pouvons maintenant dire avec une grande confiance que nous comprenons comment et pourquoi notre univers a évolué au cours de la grande majorité de son histoire. De ce point de vue, notre univers semble plus compréhensible que jamais.
Et pourtant, tout n'est pas compris. Malgré nos efforts considérables, il reste des facettes essentielles de notre univers que nous ne savons tout simplement pas expliquer. Le plus célèbre de ces mystères est peut-être celui de la matière noire. Les mesures modernes ont déterminé la quantité de matière dans notre univers avec un très haut degré de précision, et c'est bien plus que ce qui existe sous forme d'atomes. Après des décennies de débat, nous sommes maintenant convaincus que la plupart - environ 84% - de la matière de notre univers ne se compose pas d'atomes ou d'autres substances connues, mais de quelque chose d'autre qui ne rayonne, ne réfléchit ou n'absorbe pas sensiblement la lumière. Faute d'un meilleur nom, nous appelons cette matière mystérieuse la matière noire. Mais nommer quelque chose est très différent de le comprendre.
Les études sur la matière noire
Il y a dix ans, de nombreux cosmologistes pensaient avoir une assez bonne idée de ce en quoi consistait probablement la matière noire. Les arguments avancés étaient fondés sur la façon dont nous pensions que cette substance s'était formée au cours des premières fractions de seconde après le Big Bang. La quantité de particules de matière noire produites dans le premier univers qui a ensuite survécu aux conditions du Big Bang, nous avons calculé, devrait dépendre de la façon dont ces particules interagissent avec elles-mêmes ainsi qu'avec les formes ordinaires de matière. Sur la base de nos calculs, nous avons été amenés à penser que la matière noire devait interagir par le biais de ce que l'on appelle la force nucléaire faible, ou par le biais d'une autre force inconnue qui est à peu près aussi puissante. Nous avons appelé ces particules WIMP- des particules massives qui interagissent faiblement - et elles étaient notre meilleure estimation de l'identité de la matière noire.
Si la matière noire est en effet constituée de WIMP, alors il devrait être possible de mener des expériences qui pourraient directement détecter et mesurer des particules individuelles de cette substance. Avec cet objectif à l'esprit, une petite armée de physiciens a commencé à construire des détecteurs de matière noire ultra-sensibles, en les déployant dans des laboratoires souterrains profonds où ils seraient protégés des types de rayonnement cosmique les plus distrayants. À l'époque, les chances semblaient assez bonnes que cette approche réussisse. En fait, j'ai parié en 2005 que des particules de matière noire seraient découvertes dans une décennie. J'ai perdu ce pari. D'un point de vue technologique, ces expériences se sont bien déroulées. Pourtant, aucun signal n'est apparu. Ajoutant l'insulte à la blessure, le Grand collisionneur de hadrons a également commencé son opération pendant ce temps, ne trouvant aucun signe de matière noire. De ces expériences,
Notre incapacité à détecter les particules de matière noire a eu un effet palpable sur la communauté scientifique. Bien qu'il reste le cas qu'une découverte pourrait encore plausiblement se trouver au coin de la rue, la plupart d'entre nous qui étudions la matière noire aujourd'hui reconnaîtront que bon nombre de nos candidats préférés en matière de matière noire auraient dû être détectés à ce jour. Cela a conduit le domaine à réorienter ses efforts vers des idées nouvelles et parfois très différentes, inaugurant une explosion des travaux théoriques liés à la matière noire et à sa nature.
Différentes théories
Une idée nouvellement populaire est que la matière noire pourrait ne pas être seule, mais pourrait plutôt être l'un des nombreux types de particules qui constituent ce qu'on appelle un «secteur caché». Les particules qui composent un tel secteur caché pourraient interagir entre elles, mais presque jamais avec aucune des formes connues de matière, expliquant pourquoi elles ont été si difficiles à détecter dans les expériences souterraines ou à produire au Grand collisionneur de hadrons. Les particules qui composent un secteur caché auraient pu évoluer et interagir dans le premier univers de plusieurs façons potentiellement complexes, même en subissant des forces que nous n'avons jamais vues. Les physiciens des particules ont proposé de nombreuses théoriesdans lesquelles les interactions entre plusieurs types de matière cachée peuvent conduire à la production viable de matière noire dans le premier univers.
En réalité, Une autre possibilité a moins à voir avec la matière noire elle-même, et plus à voir avec l'espace qu'elle a occupé pendant les premières fractions de seconde après le Big Bang. Lorsque nous utilisons les équations de la relativité générale pour calculer la vitesse à laquelle l'espace doit s'étendre, nous prenons en compte toutes les formes connues de matière et d'énergie, y compris tous les types de particules que nous avons observées au Grand collisionneur de hadrons. Mais il est tout à fait plausible que d'autres formes de matière étaient présentes dans le premier univers que nous ne connaissions pas encore. Si tel était le cas, alors notre univers pourrait s'être développé de manière très différente de ce que nous envisageons actuellement. Et si le premier univers se développait plus rapidement ou plus lentement que ce à quoi nous nous attendons actuellement, cela changerait la façon dont les particules de matière noire interagissaient à cette époque
Des recherches pour en apprendre plus sur l'histoire de l'univers
L'éventail des possibilités sur la façon dont notre univers a pu s'étendre et évoluer au cours de sa première seconde est énorme. Des formes inconnues de matière et d'énergie ont peut-être augmenté le taux d'expansion, mais il est possible que des choses bien plus étranges se soient également produites pendant ces premiers moments. Peut-être que notre univers a connu une brève et soudaine explosion d'expansion, ou a subi une transition de phase dramatique à un moment donné au cours de sa première seconde. Alternativement, il peut y avoir eu une population de particules qui se sont décomposées, chauffant notre univers et modifiant son évolution. Les possibilités abondent. De tels événements auraient pu avoir un impact dramatique sur la formation et l'interaction de la matière noire pendant les premiers instants de notre univers. Si nous devions apprendre un jour qu'un tel événement a vraiment eu lieu, cela changerait presque certainement nos attentes concernant la nature de la matière noire et les types d'expériences que nous aurions besoin de mener pour la détecter. Cela pourrait même expliquer pourquoi la matière noire est restée si insaisissable pendant si longtemps.
Les progrès remarquables des détecteurs souterrains de matière noire et du Grand collisionneur de hadrons ont plongé le domaine de la cosmologie dans un état de perturbation majeure. Il semble que la matière noire soit très différente de ce que la plupart d'entre nous pensaient autrefois. Le caractère insaisissable de la matière noire nous a obligés à abandonner bon nombre de nos théories préférées et à envisager des idées radicalement nouvelles sur cette substance et les conditions dans lesquelles elle s'est formée dans les premiers instants après le Big Bang.
En nous efforçant de découvrir la nature de la matière noire, nous espérons non seulement identifier les particules qui constituent la majeure partie de la matière dans notre univers, mais aussi en apprendre davantage sur les premiers moments de l'histoire de notre univers.
En ce sens, la matière noire nous offre une fenêtre sur le Big Bang. Je ne doute pas que ces premiers moments détiennent des secrets incroyables; mais notre univers détient ses secrets de près. C'est à nous de tirer ces secrets de son emprise, de les transformer du mystère en découverte.
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