Deux espèces de matière noire?

À ce stade, les preuves de l’existence de matière noire se sont accumulées de nombreuses manières:

• cela affecte les courbes de rotation galactique
• joue un rôle majeur dans la cosmologie et l'évolution de la structure dans l'univers
• est prédit en quantités abondantes par lentille gravitationnelle sur une large gamme d'échelles
• influence la dynamique des amas de galaxies

pour en nommer quelques uns.

Il existe de nombreux candidats connus pour les particules de matière noire: WIMP , axions , WISP , neutrinos, etc. (en fait, même des briques, bien que d'autres considérations les excluent).

La question qui se pose alors est la suivante : pourquoi s’attend-on à ce qu’un seul type de particules de matière noire soit responsable de la matière noire phénoménologique?

Par exemple, la cosmologie CDM, le modèle cosmologique standard, exige que la matière noire soit froide (lente, non relativiste), ce qui permet de limiter les propriétés possibles des particules de matière noire. Cependant, cela n'implique pas réellement que la matière noire est froide pour tous les systèmes astrophysiques. Par exemple, les halos galactiques pourraient être constitués de matière noire chaude et les halos de galaxies naines pourraient être constitués de matière noire froide.$\Lambda$

On pourrait bien sûr dire que le modèle d’une espèce est le plus simple. Le contre-argument serait qu’en réalité il peut y avoir beaucoup d’espèces. Cela pourrait avoir de profondes implications pour les modèles astrophysiques.

Pour résumer la question: existe-t-il une bonne raison, appuyée de préférence par des observations, de penser qu’une seule espèce de matière noire est présente dans tous les modèles actuellement utilisés?

La matière noire chaude serait constituée de particules très légères et se déplaçant rapidement. De telles particules ne pourraient être liées gravitationnellement à aucune structure, mais seraient plutôt dispersées dans tout l'univers.

Mais la matière noire est toujours "trouvée" (ou "inférée") soit liée gravitationnellement à une structure visible (par exemple, détection de lentille par lentille faible associée à la collision d'amas de galaxies / courbes de rotation à plat de galaxies spirales / dispersion anormale de vitesses dans les amas de galaxies ) ou non associé à quoi que ce soit de visible mais formant néanmoins des amas (détection par lentille faible des amas de galaxies jamais vus auparavant ). C'est pourquoi on pense que la matière noire est froide .

En outre, il existe une distinction claire entre les deux types: il n’existe pas de matière noire qui ne soit "pas trop froide mais pas trop chaude non plus" (voir aussi la note de bas de page). La matière noire est constituée soit de particules avec une densité inférieure à ~ 10 eV (matière noire chaude, composée de particules légères, dispersées presque partout) ou de particules supérieures à environ 2 GeV (particules plus lourdes, plus lentes, liées par gravitation à une structure). Les deux limites sont trouvées en imposant la quantité maximale dans laquelle les particules candidates (neutrinos ou quelque chose de plus exotique) peuvent éventuellement contribuer à la valeur réelle du paramètre de densité en raison de la matière dans notre Univers en expansion.

Ainsi, soit le DM semble lié gravitationnellement (DM froid), soit dispersé (DM chaud), et les deux types sont clairement distincts (10 ev vs 2 Gev). Les observations favorisent le premier cas. Cependant, la matière noire froide n’est pas la solution ultime et pose encore quelques problèmes.

En ce qui concerne la possibilité de solutions mixtes, beaucoup d’entre elles ont déjà été exclues. La microlentille a exclu la possibilité d'objets compacts invisibles (naines brunes, étoiles, trous noirs stellaires) dans les halos galactiques, dans notre voisinage galactique ainsi que dans le domaine extragalactique . La matière ordinaire (pierres, briques, poussière) ne peut pas l'être, sinon elle chaufferait et ré-irradiait. Tout mélange exotique de particules connues ne fonctionne pas.

Tout ce que nous pensons savoir, c'est que le DM doit être constitué de particules lourdes à découvrir. Pour introduire un modèle plus complexe (par exemple, différents types de particules en fonction de la structure à laquelle ils semblent attachés), il faut une justification (c'est-à-dire des prédictions qui correspondent mieux à la réalité) et personne n'a encore été en mesure de le faire.

Remarquez que les particules de matière noire, qu'elles soient de type chaud ou froid, ne peuvent pas "ralentir" et s'agglomérer trop (par exemple, en formant des planètes) car elles n'interagissent pas de manière électromagnétique comme la matière ordinaire, c'est pourquoi on dit que le DM est sans collision . Partout où la matière ordinaire forme une structure (par exemple des protostars ou des disques d'accrétion ), une partie très importante du processus est la thermalisation , c'est-à-dire la redistribution de l'énergie des particules en chute au moyen de nombreuses collisions. Cela ne peut pas arriver avec Dark Matter.

La solution réside essentiellement dans le rasoir d'Occam : recherchez la solution la plus simple et évitez les solutions compliquées et artificielles , à moins que des preuves (d'observation) ne l'exigent . Oui, il est possible qu’au moins deux types de particules de matière noire existent. Mais toute solution où aucune espèce ne domine nécessite une mise au point et est donc défavorable. Ainsi, à moins d'une théorie qui viendrait naturellement avec un mélange de particules de matière noire (avec des propriétés différentes en ce qui concerne leurs implications astrophysiques, c.-à-d. Chaud et froid, etc., lorsque le rasoir d'Occam ne s'applique pas ), nous devrions nous attendre à ce qu'une seule espèce domine. .

Si une telle théorie ne parvient pas à expliquer la preuve, il est alors logique de passer à un modèle plus compliqué comprenant plus d’un type de particule de matière noire. Actuellement, nous ne sommes pas à ce stade.