La matière noire invisible de l’univers pourrait tourbillonner dans des touffes en rotation avec d’innombrables petits tourbillons, suggèrent de nouveaux travaux théoriques.
Les résultats, publiés le 30 mai dans la revue Revue physique DOffrez une nouvelle perspective sur l’étrange comportement de la matière noire « ultralteuse » – une substance hypothétique faite de particules élémentaires extrêmement légères.
Dans la nouvelle étude, les physiciens ont exploré ce qui se passe lorsqu’un halo de matière noire tourne – une attente naturelle pour les vraies galaxies, qui tournent généralement à mesure qu’ils évoluent. Sur la base de leur modélisation théorique et de leurs simulations détaillées, les auteurs ont constaté que ce matériau exotique pouvait se comporter comme un superfluide, formant des noyaux rotatifs stables et tournés avec des réseaux de vortex un peu comme ceux observés dans les expériences de laboratoire.
Un type spécial de matière noire
Contrairement à la vue standard de matière noire En tant que nuage de particules lourdes et lentes sans structure interne, la nouvelle recherche se concentre sur la matière noire faite de particules plus légère qu’un millionième de masse d’électrons. Ces particules peuvent ne pas flotter passivement dans l’espace; S’ils interagissent légèrement les uns avec les autres par une force répulsive, ils peuvent se comporter davantage comme un liquide quantique.
Ce comportement de type fluide permet la formation de « solitons » – des structures compactes et cohérentes où la traction de la gravité est équilibrée par une pression extérieure des auto-interactions.
« Les solitons sont des solutions classiques des équations du mouvement », » Philippe Braxun physicien théoricien d’Université Paris-Saclay et co-auteur de l’étude, a déclaré à Live Science. « Ils correspondent à des équilibres hydrostatiques où la force gravitationnelle attrayante est équilibrée par l’auto-interaction répulsive des particules, un peu comme le soleil, qui est également en équilibre hydrostatique. »
Ces solitons pourraient aller de la taille des étoiles aux galaxies entières, selon la masse inconnue de la particule de matière noire. Dans des cas plus importants, ils pourraient aider à expliquer pourquoi les centres des galaxies semblent moins densément remplis de matière noire que prévu – un problème de longue date en cosmologie.
Des nuages de rotation aux réseaux de vortex
Les chercheurs ont simulé ce qui se passe lorsque des nuages de cette matière noire inhabituelle tournent. Le résultat a été surprenant: au lieu de tourner en douceur comme un ouragan ou une sphère solide, les solitons ont développé un réseau interne de tourbillons microscopiques.
« Lorsque les conditions initiales sont telles que le nuage de matière noire tourne, le résultat final est un soliton rotatif au centre du halo effondré », a déclaré le co-auteur de l’étude Patrick Valageaségalement de l’Université Paris-Saclay. « Ce soliton montre une forme oblate alignée avec l’axe de rotation initial et affiche une rotation du corps solide supportée par des tourbillons quantifiés. »
Ces tourbillons ne sont pas comme des vents tourbillonnants ou des tourbillons dans l’eau. Ils ressemblent plutôt aux lignes de vortex quantifiées qui apparaissent dans des superfluides comme l’hélium liquide, où le fluide tourne non pas dans son ensemble mais à travers un éventail de fils de filage discrets. Au centre de chaque vortex, la densité de matière noire tombe à zéro, et ensemble, les tourbillons s’alignent sur un motif régulier en forme de réseau.
« Nos simulations montrent que ces lignes de vortex sont alignées sur le moment angulaire total et suivent des orbites circulaires à l’intérieur du solit », a déclaré Valageas. « La rotation n’est pas comme un vent lisse mais plus comme un paquet de tornades microscopiques disposées en cristal. »
Une idée intrigante que les chercheurs ont soulevée est de savoir si ces minuscules structures de vortex ont des implications sur des échelles beaucoup plus grandes. En particulier, ils ont émis l’hypothèse que certaines lignes de vortex pourraient s’étendre au-delà d’un seul halo, reliant les galaxies à travers les vastes filaments du web cosmique – Les gigantesques vrilles de matière noire qui façonnent la structure à grande échelle de l’univers.
« À ce stade, l’idée que certaines de ces lignes de vortex pourraient rejoindre différents halos à travers les filaments du web cosmique est une hypothèse », a noté Brax. Si cela est vrai, cela pourrait signifier que les effets quantiques dans la matière noire influencent subtilement la façon dont les galaxies s’alignent et se déplacent dans ces fils colossaux.
La détection de ces structures de vortex serait difficile. Parce que la matière noire n’émet ni n’absorbe la lumière, les scientifiques ne peuvent déduire sa présence que de son influence gravitationnelle sur la matière visible comme les étoiles et le gaz.
Pourtant, il peut y avoir des moyens d’effacer leurs effets. « Ces tourbillons sont associés à des creux dans la densité de la matière noire », a déclaré Brax. « En tant que tels, ils impriment les caractéristiques du potentiel gravitationnel, qui peuvent influencer les orbites des étoiles ou des nuages de gaz dans des galaxies comme le Voie lactée. «
Dans des scénarios plus spéculatifs, si la matière noire interagit même faiblement avec la matière ou la lumière ordinaire, les tourbillons pourraient laisser des empreintes digitales plus directes – mais pour l’instant, cela reste une question ouverte.
L’équipe prévoit de déterminer si les réseaux de vortex prévus peuvent être détectés par le biais d’observations astronomiques et si elles se connectent vraiment aux filaments cosmiques qui s’étendent dans l’espace.
Pour l’instant, ces tourbillons fantomatiques restent invisibles – mais à mesure que la théorie et la technologie progressent, les scientifiques peuvent constater que le cosmos n’est pas seulement rempli de matière invisible mais tissé avec des modèles de fils quantiques.
