Dans une étude récemment publiée, des physiciens des particules de l'Université de Californie à Riverside pensent 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 constitue environ 85% de la matière de l'univers. L'existence de cette force invisible est impliquée par une variété d'observations dans l'univers, y compris des effets gravitationnels qui ne peuvent pas 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, mesurer ou fournir une preuve définitive de son existence s'est jusqu'à présent avéré impossible.
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. La dimension supplémentaire peut expliquer pourquoi la matière noire s'est si bien cachée de nos tentatives pour l'étudier 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.
Une chasse qui a duré longtemps
Avant l'hypothèse d'une nouvelle dimension, l'existence de forces invisibles a été longtemps théorisée.
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 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 pour soutenir l'existence proposée par Thomson de "corps sombres" ou la présence d'une sorte de matière invisible qui a 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 sans une grande quantité de matière invisible.
Jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pas été en mesure 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. La preuve indirecte, cependant, a été suffisamment forte pour amener la plupart de la communauté scientifique à accepter généralement l'existence de la matière noire.
"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 irritantes de la nature. Nous savons qu'il existe, mais nous ne savons pas comment le rechercher, ni pourquoi il ne s'est pas présenté là où nous l'attendions. »
Une quatrième 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 noires cachées peuvent régir les interactions de la matière noire. Confirmer leur existence pourrait complètement réécrire les règles sur la façon de rechercher 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 dans cette quatrième dimension. 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 dimensions supplémentaires sont simplement une astuce mathématique pour décrire même des théories ordinaires.
Après tout, l'idée que l'existence se compose d'une dimension, voire de nombreuses dimensions supplémentaires, est aussi communément évoquée dans la théorie des cordes ou 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 disent que la force continue de ces particules invisibles serait très différente des forces perçues 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. Une force continue, en revanche, est réduite d'un facteur pouvant aller jusqu'à huit », a expliqué Tanedo.
Dans l'article, les physiciens de l'UC Riverside disent avoir découvert qu'une force continue comme celle proposée pourrait reproduire les observations des mouvements stellaires dans l'univers.
Prochaine étape, un "photon noir"
L'équipe de Tanedo dit qu'elle a l'intention de continuer à élargir sa théorie en explorant un modèle de « photon noir ».
"C'est une image plus réaliste pour une force obscure", a déclaré Tanedo. « Les photons noirs ont été étudiés en détail, mais notre structure en quatrième dimension réserve quelques surprises. Nous examinerons également la cosmologie des forces obscures et la physique des trous noirs.'
