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Les scientifiques se rapprochent de la course pour trouver le fond des ondes gravitationnelles et la matière noire

Les astronomes pourraient se rapprocher de la découverte de secrets cosmiques encore cachés, tels que la nature de la matière noire et la présence de distorsions généralisées dans l’espace-temps, ont rapporté des chercheurs à la 237e. Réunion de l’American Astronomical Society, qui a eu lieu pratiquement cette semaine.

L’existence de la matière noire, une substance invisible censée constituer plus des quatre cinquièmes de toute la matière de l’univers, peut aider à expliquer une variété d’énigmes cosmiques, telles que la façon dont les galaxies peuvent tourner aussi vite qu’elles le font sans se déchirer. . Cependant, beaucoup sur la nature de matière noire – et même s’il existe – reste inconnu.

Pour aider à identifier les propriétés de la matière noire, les chercheurs ont cherché à mesurer directement les effets gravitationnels que la matière noire devrait avoir sur la vitesse à laquelle les étoiles se déplacent dans le voie Lactée. Ils se sont concentrés sur les phares galactiques appelés pulsars, ou étoiles à neutrons en rotation qui émettent deux faisceaux d’ondes radio depuis leurs pôles magnétiques lorsqu’ils tournent. (Les étoiles à neutrons sont les restes de grandes étoiles qui ont péri dans des explosions catastrophiques appelées supernovas.)

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« C’est un très, très petit nombre que nous essayons de mesurer », a déclaré l’auteur principal de l’étude Sukanya Chakrabarti, astrophysicienne au Rochester Institute of Technology à New York, lors d’une conférence de presse tenue lundi 11 janvier. « En termes de changement de vitesse, c’est juste quelques centimètres par seconde, ou à peu près la vitesse d’un bébé rampant, et pas un bébé très rapide à cela. »

Pulsars tournent à des taux très réguliers, de sorte qu’ils peuvent servir d’horloges précises. En surveillant de minuscules variations du spin de 14 pulsars, les chercheurs pourraient estimer les vitesses auxquelles ces pulsars se déplacent et ainsi déduire la force gravitationnelle que la matière noire exerce sur eux.

Les scientifiques ont découvert que dans toute la galaxie, la quantité moyenne de matière noire peut être légèrement inférieure aux estimations précédentes. Les chercheurs ont également calculé que la quantité de matière noire contenue dans le volume de la Terre n’est que de 1,63 lb. (740 grammes), a déclaré Chakrabarti. Ces découvertes peuvent à leur tour aider les expériences actuelles cherchant à détecter directement la matière noire «à essayer de comprendre la nature des particules de matière noire», a-t-elle ajouté. Par exemple, cela pourrait affecter la fréquence à laquelle on pourrait s’attendre à ce que ces particules interagissent avec les détecteurs.

De plus, les scientifiques analysent actuellement un nombre inhabituellement élevé de rayons gamma du centre de la Voie lactée pour voir s’ils pourraient provenir de l’anéantissement de particules de matière noire. Des recherches antérieures suggéraient que la matière noire pourrait être constituée de nouveaux types de particules, celles qui s’annihilent lorsqu’elles entrent en contact, générant des rayons gamma de haute énergie.

Basé sur 11 ans de données de la NASA Télescope spatial à rayons gamma Fermi«Nous pouvons dire quels sont les bons candidats pour la matière noire», a déclaré l’auteur principal de l’étude Mattia di Mauro, astrophysicien à l’Institut national de physique nucléaire de Turin, en Italie, lors de la même conférence de presse. Celles-ci incluent des particules massives faiblement interagissantes, ou WIMPS, des particules élémentaires hypothétiques qui interagissent à peine avec la matière ordinaire, sauf par leur attraction gravitationnelle.

«À l’avenir, le grand collisionneur de hadrons ou d’autres détecteurs de physique des particules pourraient tester ces candidats spécifiques», a-t-il ajouté.

Le fond gravitationnel

Les chercheurs de la première conférence d’astronomie ont également rapporté avoir trouvé les premiers indices possibles d’un nouveau type mystérieux d’onde gravitationnelle, des ondulations cosmiques qui déforment le tissu de l’espace et du temps lui-même.

Les scientifiques ont rapporté la toute première détection directe des ondes gravitationnelles en 2016 à l’aide du Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO), une découverte qui a remporté le prix Nobel de physique 2017. Les distorsions spatio-temporelles observées par les chercheurs ont été créées lorsque deux trous noirs sont entrés en collision à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre. Depuis lors, LIGO a observé des dizaines d’autres signaux de ce type.

Mais les ondes gravitationnelles que LIGO détecte le mieux sont les plus puissantes, des explosions bruyantes libérées lorsque des objets extraordinairement massifs se heurtent. Les chercheurs veulent maintenant aussi détecter les ondes gravitationnelles qui ressemblent davantage au bruit de fond d’une conversation informelle lors d’une fête bondée.

En théorie, la fusion des galaxies et d’autres événements cosmiques devrait générer un tel «fond d’ondes gravitationnelles». Détecter ce bourdonnement régulier pourrait faire la lumière sur des mystères tels que la croissance des galaxies au fil du temps.

Cependant, ces ondes sont énormes, ce qui pose un défi majeur pour la détection de ce fond d’ondes gravitationnelles. Alors que les observatoires d’ondes gravitationnelles existants sur Terre sont conçus pour rechercher des ondes gravitationnelles de l’ordre de quelques secondes, les ondulations du fond d’ondes gravitationnelles durent des années, voire des décennies.

Maintenant, les chercheurs disent qu’ils ont peut-être détecté un signal fort du fond des ondes gravitationnelles à l’aide d’un projet américain et canadien appelé North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).

«Nous voyons des preuves incroyablement significatives de ce signal», a déclaré l’auteur principal de l’étude Joseph Simon, astrophysicien à l’Université du Colorado à Boulder, lors de la conférence de presse de l’AAS. « Malheureusement, nous ne pouvons pas encore dire ce que c’est. »

NANOGrav utilise des télescopes au sol pour surveiller des dizaines de pulsars. Les ondes gravitationnelles peuvent modifier le schéma de clignotement constant de la lumière des pulsars, serrant et élargissant les distances parcourues par ces rayons dans l’espace.

« Lorsque ces vagues nous passent, la Terre est très légèrement poussée », a déclaré Simon. « Alors que la Terre est rapprochée des pulsars dans une partie du ciel, les impulsions de ces pulsars apparaîtront un peu plus tôt que prévu, et les impulsions des pulsars dans l’autre partie du ciel semblent venir un peu plus tard. »

L’analyse de cette lumière pulsar pourrait donc aider les scientifiques à détecter des signes de fond d’onde gravitationnelle.

« En surveillant les signaux d’un grand nombre de ces pulsars, nous avons créé un détecteur d’ondes gravitationnelles de la taille d’une galaxie dans notre propre Voie lactée », a déclaré Simon.

Pour trouver ces indices subtils, les scientifiques de NANOGrav ont tenté d’observer autant de pulsars que possible le plus longtemps possible. Jusqu’à présent, ils ont observé 45 pulsars pendant au moins trois ans, et dans certains cas, pendant plus d’une douzaine d’années.

« Ces pulsars tournent à peu près aussi vite que votre mixeur de cuisine », a déclaré Simon dans un communiqué. « Et nous examinons des écarts dans leur timing de quelques centaines de nanosecondes. »

Maintenant, les chercheurs ont déclaré avoir détecté des preuves potentielles d’un processus commun déformant la lumière de nombreux pulsars. Pour l’instant, ils ne peuvent pas vérifier si ce signal est une preuve du fond des ondes gravitationnelles, « mais nous n’avons pas non plus de preuves contre cela », a déclaré Simon.

Les scientifiques préviennent qu’ils doivent encore examiner plus de pulsars et les surveiller pendant de plus longues périodes pour confirmer si le fond gravitationnel en est la cause.

Si les chercheurs peuvent vérifier qu’ils ont détecté le fond des ondes gravitationnelles, ils veulent ensuite identifier les causes de ces ondes et ce que ces signaux peuvent dire aux scientifiques sur l’univers.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes le 11 janvier lors d’une réunion en ligne de l’American Astronomical Society. Chakrabarti et ses collègues détaillés leurs découvertes dans une étude acceptée dans la revue Astrophysical Journal Letters. Simon et ses collègues ont détaillé leurs découvertes NANOGrav en ligne le 24 décembre dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

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