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Un chasseur de matière noire qui a trouvé des «  bulles de Fermi  » géantes et inattendues remporte un prix de physique de 100000 €

Note de l’éditeur: Cette histoire a été corrigée à 12h30 HAE pour noter que Slatyer a reçu 100 000 €, et non 50 000 €, pour son travail.

Tracy Slatyer, connue pour chasser la matière noire dans notre galaxie et avoir découvert des preuves d’une ancienne explosion de la Voie lactée, a remporté un prix New Horizons de physique de 100 000 €.

Slatyer, un physicien du MIT originaire d’Australie, est surtout connu en tant que co-découvreur des «bulles de Fermi». Tout en recherchant des indices de la signature de la matière noire dans les rayons gamma émanant du centre de la Voie lactée, elle et ses collègues ont trouvé des structures inédites s’étendant bien au-dessus et au-dessous du disque galactique – des répliques d’un trou noir éclaté de millions de il y a des années, cela est devenu connu sous le nom de « bulles de Fermi » après le télescope spatial à rayons gamma de Fermi. Mais Slatyer est toujours à la recherche de matière noire et a trouvé des indices prometteurs (bien que toujours provisoires) de la substance au centre galactique.

Le prix New Horizons, décerné chaque année par la Breakthrough Prize Foundation, est décerné à des chercheurs en «début de carrière» comme Slatyer, qui a obtenu son doctorat. en 2010 et a été embauché au MIT en 2013. Les prix New Horizons sont inférieurs aux prix de 3 millions de dollars remis chaque année par Breakthrough, généralement à des scientifiques plus âgés et plus établis. Slatyer était le seul lauréat en solo d’un prix New Horizons 2021 en physique, les deux autres prix étant attribués à des équipes de recherche de quatre membres chacune. Le prix en argent est donné par un groupe de milliardaires de la technologie (Sergey Brin, Anne Wojcicki, Mark Zuckerberg, Priscilla Chan, Yuri Milner, Julia Milner, Jack Ma et Pony Ma).

Breakthrough a décerné à Slatyer le prix «Pour ses contributions majeures à l’astrophysique des particules, des modèles de matière noire à la découverte des« bulles de Fermi ».

Slatyer passe beaucoup de son temps à affiner des modèles de matière noire – à déterminer précisément comment ses particules pourraient se comporter et les implications de ces différentes possibilités. Et le reste de son temps est passé à les traquer.

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« C’était une surprise totale », a déclaré Slatyer à 45secondes.fr. « Le prix n’était même pas sur mon radar. »

Traces gamma de matière noire

Environ 84% de la masse de l’univers est de la matière noire, qui n’émet aucune lumière mais exerce une attraction gravitationnelle. Les scientifiques ne savent pas ce qu’est cette matière noire ni d’où elle vient. Mais les physiciens peuvent voir des preuves indirectes de la matière noire à travers ses effets gravitationnels sur la matière lumineuse (ce que nous pouvons voir). Les mouvements et les arrangements des galaxies, le comportement de la lumière à travers de vastes régions de l’espace et la structure de l’univers suggèrent tous la présence de quelque chose là-bas que nous ne pouvons pas détecter directement – une grande partie est regroupée en « halos » autour de grandes galaxies comme la voie Lactée.

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Tracy Slatyer

Tracy Slatyer (Crédit d’image: Breakthrough / Gracieuseté de Tracy Slatyer)

À l’heure actuelle, la détection directe de la matière noire est l’un des plus grands objectifs de la physique. C’est une grande partie de ce que Slatyer a passé sa carrière à essayer de faire. Mais jusqu’à présent, la matière noire s’est très bien cachée.

« S’il interagit avec les autres forces que nous connaissons » – comme l’électromagnétisme, ou la force faible et la force forte dans les noyaux atomiques – « il le fait assez faiblement », a déclaré Slatyer.

Mais il y a des raisons de penser qu’il interagit un peu avec d’autres sujets. L’indice est dans ce nombre, 84%. Les physiciens ont tendance à penser aux nombres en termes d ‘«ordres de grandeur». Signification: sont-ils très petits, petits, moyens, grands, très grands, très très grands ou quoi? Le nombre précis compte, mais la catégorie générale dans laquelle il appartient aussi. Et 84%, du point de vue d’un physicien, est un nombre de taille moyenne. On ne sait pas pourquoi la partie de la matière noire de l’univers devrait être de taille moyenne.

« Pourquoi est-ce un peu dans le même sens que 50%? » Dit Slatyer. « Pourquoi n’est-ce pas 99,999%? Ou 0,0001% de la matière dans l’univers? »

Une explication possible: la matière noire interagit périodiquement avec d’autres particules de matière, mais seulement faiblement. Il y a d’autres particules comme celle-ci: les neutrinos sont tout autour de nous, mais ils interagissent rarement et ne peuvent être détectés qu’avec des équipements très sensibles. Dans les premiers jours de l’univers, quand tout était de plus en plus chaud, plus dense et plus rapproché, ces interactions se produisaient tout le temps. La pression serrée aurait considérablement augmenté les chances qu’une particule de matière noire se heurte à une autre particule. Mais avec le temps, l’univers s’est étendu et ces interactions sont devenues moins courantes.

Il existe une interaction hypothétique particulière qui permet de produire un univers de matière sombre à 84% dans les modèles astrophysiques: si les particules de matière noire qui se heurtent les unes aux autres formaient des particules de matière ordinaire, cela réduirait la quantité de matière noire dans le l’univers au fil du temps. Cependant, une interaction qui peut se produire dans un sens peut également se produire dans l’autre, de sorte que des particules lumineuses entrent parfois en collision pour former de la matière noire.

Au fil du temps, a déclaré Slatyer, ces deux interactions conduiraient la matière noire à un équilibre, a déclaré Slatyer. Une fois que vous acceptez cette image générale, vous pouvez calculer les propriétés de la matière noire qui auraient conduit à notre univers de matière noire à 84%.

« Si vous faites ce calcul, vous trouvez qu’il est assez cohérent avec [what would happen] si la matière noire était d’une masse similaire à la plus lourde [luminous] particules … et interagissant avec une force comparable à la force nucléaire faible », a-t-elle déclaré.

(Dans ce cadre, il interagit probablement avec la force nucléaire faible. Mais les physiciens laissent ouverte la possibilité qu’il interagisse avec une force inconnue qui est très similaire à la force faible.)

Lorsque les physiciens des particules connaissent cette gamme de masse, ils produisent des photons (particules légères) avec des dizaines ou des centaines de gigaélectronvolts (GeV) d’énergie.

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«Et les photons avec des dizaines ou des centaines de GeV d’énergie que nous appelons rayons gamma», dit-elle.

Si des WIMP sont là-bas et se heurtent parfois les uns aux autres, ils devraient produire une faible lueur gamma que les chercheurs pourraient théoriquement détecter. Recherche de ces traces

C’est pourquoi une grande partie de la chasse à la matière noire de Slatyer repose largement sur les données du télescope spatial Fermi Gamma de la NASA. Une zone où elle chasse les rayons gamma se trouve dans l’amas de matière noire le plus proche que nous connaissons: la partie la plus dense du halo de la Voie lactée, juste à côté de son centre.

Le problème est que le centre de la Voie lactée contient de nombreuses autres sources de rayons gamma, dont certaines que nous ne connaissons pas. Pour identifier les rayons gamma provenant de la matière noire, les chercheurs doivent d’abord modéliser exactement à quoi devrait ressembler le signal des rayons gamma de la matière noire. Ensuite, ils ont besoin d’un « modèle d’arrière-plan » – une image détaillée de toutes les autres sources de rayons gamma connues provenant de cette partie du ciel. C’est tout ce qu’ils doivent ignorer.

Si Slatyer et ses collègues prennent un jour une photo de la matière noire de la Voie lactée, ils le feront en étudiant un grand nombre de photons gamma détectés dans cette partie de l’espace et en soustrayant tous les photons qui peuvent être expliqués sans matière noire. Les modèles suggèrent que la solution ne devrait laisser qu’un petit résidu – mesuré dans quelques dizaines de particules de rayons gamma individuelles sur une décennie d’observations de Fermi de la Voie lactée – provenant d’interactions avec la matière noire.

Au début des années 2010, Slatyer et ses collaborateurs pensaient avoir trouvé ce minuscule excès. Une étude attentive des données de Fermi du centre de la Voie lactée a suggéré une forme vague et bulbeuse dans le spectre gamma.

«Cela ressemblait presque à un œuf flou», dit-elle.

Cela correspondait étroitement à l’image attendue du halo de la Voie lactée.

Mais au fil du temps, ils ont affiné leur image de cet excès, comme une caméra se mettant lentement au point. Finalement, ils ont vu que la forme avait des bords tranchants et une taille pincée, plus comme un sablier que la goutte floue attendue. L’explication: une sortie de matière lumineuse de la région autour du trou noir au centre de notre galaxie, la trace d’une explosion au cours des dernières dizaines de millions d’années. Ils ont appelé ces structures inédites les «bulles de Fermi».

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Maintenant, dit Slatyer, elle et ses collègues se concentrent sur un nouvel excès de rayons gamma découvert dans les données de Fermi. Il est faible, mais semble correspondre étroitement à cette image de balle floue.

Encore une fois, cependant, les chercheurs ne savent pas s’ils sont tombés sur un signal de matière noire ou sur une autre source de fond jamais vue auparavant. L’excès correspond au signal attendu de la collision de WIMP, mais il pourrait également s’expliquer par une population inconnue de pulsars millisecondes – de minuscules étoiles à neutrons tournoyant à des vitesses incroyables. Il y a beaucoup de pulsars millisecondes dans la Voie lactée, mais cela en exigerait beaucoup plus que prévu, répartis autour du centre galactique.

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Maintenant, dit Slatyer, la chasse est ouverte pour ces pulsars. Des «points chauds» dans les images de rayons gamma ou d’ondes radio du ciel, ou toute preuve de pulsation dans les données minces, suggéreraient qu’une fois de plus les chercheurs ont accidentellement découvert un nouvel objet galactique qui n’est pas de la matière noire.

«Si vous me montriez une population dense de pulsars dans cette région, alors je serais très heureuse de dire que l’excédent provient des pulsars», a-t-elle déclaré.

Si cette découverte arrive, elle pourrait survenir dans les prochaines années, grâce à MeerKAT, un réseau de radiotélescopes en Afrique du Sud qui devrait être capable de trouver des pulsars individuels dans cette partie de l’espace. Mais prouver au contraire que l’excès est de la matière noire serait plus difficile et prendrait beaucoup plus de temps.

«De toute évidence, en tant que physicienne des particules, je serais heureuse si c’était de la matière noire», a-t-elle déclaré.

Mais c’est possible, dit-elle, que cet excès et le suivant et le suivant s’avèrent être d’autres caractéristiques de l’univers que personne ne recherchait. Ce n’est peut-être pas de la matière noire, mais c’est toujours assez génial.

«C’est l’une des choses que j’aime vraiment dans ce domaine», a-t-elle déclaré. « C’est un peu ingrat d’être comme » Non, univers! Tu ne m’as pas donné la découverte que je voulais! «  »

Publié à l’origine sur 45secondes.fr.

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