Dans une étude récemment publiée, des physiciens des particules de l'Université de Californie à Riverside émettent l'hypothèse que la matière noire pourrait s'expliquer par l'existence d'une nouvelle dimension dans l'espace-temps.
En astrophysique, le matière noire c'est une forme (encore théorique) de matière qui représente environ 85 % de la matière de l'univers. L'existence de cette force invisible est impliquée par diverses observations dans l'univers, y compris des effets gravitationnels qui ne peuvent être expliqués par les théories acceptées de la gravité. Étant donné que la matière noire ne semble pas absorber, réfléchir ou émettre de rayonnement électromagnétique, il était jusqu’à présent impossible de mesurer ou de fournir une preuve définitive de son existence.
L'étude de la quatrième dimension
Dans un article de recherche publié dans le Journal of High Energy Physics, une équipe de physiciens de l'UC Riverside affirme que la présence d'une quatrième dimension pourrait expliquer l'existence de la matière noire et expliquer pourquoi elle reste invisible.
« Notre univers observé a trois dimensions d’espace. Nous proposons qu'il puisse y avoir une quatrième dimension. Cette dimension supplémentaire pourrait expliquer pourquoi la matière noire s’est si bien cachée lors de nos tentatives d’étude en laboratoire », explique le Dr. Philippe Tanedo, professeur adjoint de physique et l'astronomie à UC Riverside et co-auteur de la nouvelle étude, dans un communiqué de presse.
La quatrième dimension ? Une chasse qui a duré longtemps
Avant l’hypothèse d’une nouvelle dimension sombre, l’existence de forces invisibles est théorisée depuis longtemps.
Il a d'abord été proposé par le physicien mathématicien et ingénieur Guillaume Thomson en 1884.
Thomson est également connu sous le nom de Lord Kelvin après avoir été le premier scientifique britannique à être élevé à la Chambre des Lords.
Thomson a estimé que la masse de la Voie lactée différait de la masse lumineuse des étoiles visibles, concluant que « beaucoup de nos étoiles, peut-être la grande majorité d'entre elles, sont peut-être des corps sombres ».
Au siècle suivant, les scientifiques ont fait de nombreuses observations indirectes soutenant l'existence proposée par Thomson de « corps sombres », ou la présence d'un certain type de matière invisible qui exerce une influence significative sur l'univers.
Nous ne le voyons pas, mais nous savons qu'il est là
La principale preuve de l’existence d’une force invisible provient de calculs montrant que les galaxies ne se formeraient pas ou ne se déplaceraient pas comme elles le font sans de grandes quantités de matière invisible.
Jusqu’à présent, les scientifiques ont été incapables de détecter directement la matière noire, ce qui a conduit la plupart des physiciens à conclure que la substance doit être constituée de particules non baryoniques ou de particules subatomiques dont la masse est inférieure à celle d’un proton. Les preuves indirectes, cependant, ont été suffisamment solides pour amener la plupart de la communauté scientifique à accepter généralement l’existence de la matière noire (et de quatre dimensions, en fait : AU MOINS quatre).
"Nous vivons dans un océan de matière noire, mais nous savons très peu de choses sur ce que cela pourrait être", a déclaré Tanedo. « C’est l’une des inconnues connues les plus frustrantes de la nature. Nous savons qu’il existe, mais nous ne savons pas comment le rechercher, ni pourquoi il n’est pas apparu là où nous l’espérions. »
Une 4ème dimension pourrait-elle expliquer la matière noire ?
Dans le nouvel article, Tanedo et ses collègues suggèrent que les particules de matière noire ne se comportent pas comme des particules.
"L'objectif de mon programme de recherche au cours des deux dernières années est d'étendre l'idée de la matière noire" parlant "aux forces obscures", a déclaré Tanedo dans le communiqué de presse de l'UC Riverside. « Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont réalisé qu’en plus de la matière noire, d’autres forces obscures cachées pouvaient régir les interactions avec la matière noire. Confirmer leur existence pourrait complètement réécrire les règles de recherche de la matière noire.
Tanedo réitère que cette opération des « forces obscures » peut être décrite mathématiquement par une théorie qui inclut une quatrième dimension supplémentaire.
La matière noire apparaîtrait comme une séquence continue de particules adjacentes au sein de cette quatrième dimension sombre. Cela expliquerait comment la matière noire provoque certains des comportements curieux observés dans les petites galaxies.
Une dimension supplémentaire, une idée récurrente
Bien que l’existence d’une nouvelle quatrième dimension semble sensationnelle, Tanedo a expliqué que les extra-dimensions ne sont qu’une astuce mathématique pour décrire même les théories ordinaires.
Après tout, l’idée selon laquelle l’existence est composée d’une seule dimension, ou plutôt de nombreuses autres dimensions supplémentaires, est aussi communément évoquée dans la théorie des cordes ou dans celle de l’univers holographique.
Penser de manière non conventionnelle
Les examens antérieurs de la matière noire se sont principalement concentrés sur les théories expliquant des comportements similaires aux particules visibles. Tanedo et ses collègues chercheurs affirment que leur nouvelle approche de la quatrième dimension explore de nouvelles possibilités non envisagées auparavant.
Les forces ordinaires peuvent être décrites comme un seul type de particule avec une masse fixe.
La théorie proposée prédit que les particules invisibles peuvent être décrites par un nombre infini de particules différentes avec des masses différentes appelées continuums.
Différentes forces
Les chercheurs affirment que la force continue de ces particules invisibles serait très différente des forces ressenties par la matière ordinaire. « Pour la force gravitationnelle ou électrique que j’enseigne dans mon cours d’introduction à la physique, lorsque vous doublez la distance entre deux particules, vous réduisez la force d’un facteur quatre. En revanche, une force continue est réduite d’un facteur allant jusqu’à huit », a expliqué Tanedo.
Dans l'article, les physiciens de l'UC Riverside affirment avoir découvert qu'une force continue comme celle proposée pourrait reproduire les observations des mouvements stellaires dans l'univers.
Prochaine étape, un « photon sombre »
L'équipe de Tanedo affirme qu'elle prévoit de continuer à élargir sa théorie en explorant un modèle de « photons sombres ».
"C'est une image plus réaliste pour une force obscure", a déclaré Tanedo. « Les photons sombres ont été étudiés de manière très détaillée, mais notre structure en quatrième dimension réserve quelques surprises. Nous examinerons également la cosmologie des forces obscures et la physique des trous noirs. »
