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Les «  jumeaux maléfiques  » des neutrons peuvent écraser des étoiles dans des trous noirs

L’univers peut être rempli de particules «miroir» – et ces particules autrement indétectables pourraient réduire les étoiles les plus denses de l’univers, les transformant en trous noirs, suggère une nouvelle étude.

Ces hypothétiques jumeaux maléfiques de particules ordinaires feraient l’expérience d’une version inversée des lois de la physique, comme si les règles qui régissent les particules connues se reflétaient dans un miroir. Selon une nouvelle étude, publiée en décembre 2020 dans la base de données pré-impression arXiv mais pas encore revues par les pairs, si ces particules existent, elles rétréciraient les étoiles les plus denses de l’univers en trous noirs.

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De l’autre côté du miroir

Plusieurs symétries fondamentales dans la nature donnent naissance aux lois de la physique. Par exemple, la capacité de déplacer une expérience ou une interaction dans l’espace et d’avoir le même résultat conduit à la conservation de l’élan.

Mais l’une de ces symétries, le symétrie de la réflexion, n’est pas toujours obéi. La symétrie de la réflexion est lorsque vous regardez l’image miroir d’une réaction physique. Dans presque tous les cas, vous obtenez exactement le même résultat. Par exemple, si vous lancez une balle en l’air et l’attrapez, elle a exactement la même apparence dans le miroir – le la gravité respecte la symétrie de réflexion.

Mais toutes les forces ne jouent pas le jeu. Le violateur de la symétrie de réflexion (également connue sous le nom de symétrie miroir, symétrie P ou parité) est la force nucléaire faible. Chaque fois que le force faible est impliqué dans une interaction de particules, l’image miroir de cette interaction sera différente. L’expérience classique qui a détecté cet effet pour la première fois a révélé que lorsqu’une version radioactive de cobalt se désintègre, l’électron qu’il émet préfère aller dans une direction (en particulier, opposée à la direction du spin du cobalt), plutôt que dans n’importe quelle direction aléatoire. Si la force nucléaire faible obéissait à la symétrie de réflexion, alors ces électrons n’auraient pas dû «savoir» quelle direction est laquelle, et sortir où bon leur semble.

Les physiciens n’ont aucune idée de la raison pour laquelle la symétrie du miroir est brisée dans notre univers, alors certains ont proposé une explication radicale: peut-être qu’elle n’est pas du tout brisée, et nous regardons simplement l’univers dans le mauvais sens.

Vous pouvez récupérer la symétrie du miroir si vous autorisez l’existence de particules supplémentaires. Et par «certains», je veux dire «beaucoup» – une copie en image miroir de chaque particule. Il y aurait des électrons miroirs, des neutrons miroirs, des photons miroirs, des bosons Z miroir. Vous l’appelez, il a un miroir. (Ceci est différent de l’antimatière, qui est comme la matière normale mais avec une charge électrique opposée.)

D’autres noms pour la matière miroir incluent «matière d’ombre» et «matière d’Alice» (comme dans «À travers le miroir»). En introduisant la matière miroir, la réflexion est préservée dans l’univers: la matière ordinaire effectue des interactions à gauche et la matière miroir effectue des interactions à droite. Tout se synchronise au niveau mathématique.

Le cœur de l’étoile

Mais comment les scientifiques peuvent-ils tester cette idée radicale? Parce que la seule force qui viole la symétrie du miroir est la force nucléaire faible, c’est la seule force qui peut fournir un « canal » pour que la matière régulière communique avec ses homologues du miroir. Et la force faible est vraiment, vraiment faible, donc même si l’univers était inondé de particules miroir, elles seraient à peine détectables.

De nombreuses expériences se sont concentrées sur les particules neutres, comme les neutrons, car elles n’ont pas d’interactions électromagnétiques, ce qui facilite les expériences. Les recherches de neutrons miroirs n’ont encore rien révélé, mais tout espoir n’est pas perdu. C’est parce que ces expériences ont eu lieu sur Terre, qui n’a pas de champ gravitationnel ultra-puissant. Mais les physiciens théoriciens prédisent qu’un champ gravitationnel très fort peut améliorer la connexion entre les neutrons et les neutrons miroirs. Heureusement, la nature a déjà conçu un appareil expérimental bien supérieur pour chasser la matière miroir: étoiles à neutrons.

Les étoiles à neutrons sont les noyaux restants d’étoiles géantes. Elles sont extraordinairement denses – une seule cuillère à café de matériau d’étoile à neutrons l’emporterait sur les grandes pyramides – et extrêmement petites. Imaginez entasser 10 soleils de matière dans un volume pas plus grand que Manhattan.

Les étoiles à neutrons sont essentiellement des noyaux atomiques de la taille d’une ville composés de neutrons individuels entassés à peu près aussi étroitement que possible.

Les jumeaux maléfiques des neutrons

Avec cette incroyable abondance de neutrons, associée au champ gravitationnel extrême (les plus hautes «montagnes» sur les étoiles à neutrons mesurent à peine un demi-pouce de haut), des choses étranges sont inévitables. L’une de ces choses, selon la nouvelle étude, est que les neutrons se transforment parfois en leurs homologues à neutrons miroirs.

Lorsqu’un neutron se transforme en neutron miroir, certaines choses se produisent. Le neutron miroir est toujours suspendu à l’intérieur de l’étoile; il est lié par gravité et ne peut donc aller nulle part. Et le neutron miroir a une (minuscule) influence gravitationnelle, de sorte que l’étoile ne s’évapore pas. Mais les neutrons miroirs ne participent pas aux interactions que les scientifiques détectent dans les étoiles à neutrons, ce qui change la chimie interne. Ils participent à la vie d’une «étoile à neutrons miroir», avec son propre ensemble d’interactions atomiques intéressantes, mais cette vie nous est cachée, comme un fantôme habitant le corps d’une étoile à neutrons régulière.

C’est comme aller à un match de football bondé et remplacer lentement les supporters par des découpes en carton: le stade est toujours rempli, mais l’énergie est partie.

Au fur et à mesure que les neutrons se transforment lentement en neutrons miroirs, l’étoile rétrécit. À un rapport 1: 1 des neutrons réguliers aux neutrons miroirs, l’étoile à neutrons se trouve environ 30% plus petite.

Les étoiles à neutrons peuvent se retenir du poids écrasant de leur propre gravité par un processus de mécanique quantique appelé pression de dégénérescence. Mais cette pression a une limite, et avec moins de neutrons réguliers, cette limite diminue. Si une étoile avait un rapport 1: 1 de neutrons ordinaires aux neutrons miroirs, la masse maximale d’étoiles à neutrons dans l’univers serait environ 30% moins massive que ce à quoi nous nous attendrions normalement. Plus massives que cela, et les étoiles à neutrons s’effondreraient en trous noirs.

Les scientifiques ont observé des étoiles à neutrons plus grosses que cela, ce qui, à première vue, pourrait signifier que la matière miroir est une idée sans issue (et nous devons trouver une autre explication à la violation de la symétrie du miroir). Mais l’affaire n’est pas close: l’univers n’est que si vieux (13,8 milliards d’années), et nous n’avons aucune idée de la durée de ce processus de basculement. Il est possible que les étoiles à neutrons n’aient tout simplement pas eu assez de temps pour effectuer le changement.

Ce qui est cool à propos des étoiles à neutrons, c’est que les scientifiques les regardent tout le temps. En trouvant et en observant plus d’étoiles à neutrons, ils pourraient simplement trouver un signe dans l’un de ces signaux qu’il y a un miroir caché – et oserais-je dire «mal»? – secteur de l’univers.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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