Les ondes gravitationnelles pourraient avoir joué un rôle clé dans la création de la matière noire durant les premiers instants de l'univers, selon une nouvelle étude du professeur Joachim Kopp de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et du cluster d'excellence PRISMA++, en collaboration avec le Dr Azadeh Maleknejad de l'Université de Swansea. Publiée dans Physical Review Letters, la recherche présente de nouveaux calculs qui pointent vers un processus jusqu'alors inexploré dans lequel les ondes gravitationnelles dites stochastiques pourraient donner naissance à la matière noire.
Ce travail aborde l'une des plus grandes questions sans réponse de la physique des particules. Tout ce que nous pouvons voir, y compris les planètes, les étoiles et la vie sur Terre, est fait de matière visible, mais cela ne représente qu'environ quatre pour cent de l'univers. La majeure partie du cosmos reste invisible, constituée de matière noire et d'énergie noire. La matière noire à elle seule représente environ 23 pour cent de l'univers.
Les observations montrent que la matière noire est répandue dans tout l'espace, façonnant les galaxies et les plus grandes structures cosmiques. Malgré son influence énorme, les scientifiques ne savent toujours pas de quoi est faite la matière noire. De nombreuses théories et expériences sont en cours pour découvrir sa véritable nature.
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de l'espace-temps produites par certains des événements les plus énergétiques de l'univers, comme les collisions entre trous noirs ou étoiles à neutrons. Cependant, toutes les ondes gravitationnelles ne proviennent pas d'événements aussi dramatiques. Un type différent, appelé ondes gravitationnelles stochastiques, provient d'une gamme de processus qui n'impliquent pas d'objets massifs.
Ces ondes sont beaucoup plus faibles et font partie du signal de fond qui remplit l'univers. Beaucoup d'entre elles sont extrêmement anciennes, datant des premières phases après le Big Bang. Elles pourraient avoir été générées lors de moments clés de l'histoire cosmique, y compris les transitions de phase lorsque l'univers s'est refroidi ou à partir de champs magnétiques primordiaux.
« Dans cet article, nous étudions la possibilité que les ondes gravitationnelles — qui auraient été omniprésentes dans l'univers primitif — soient partiellement converties en particules de matière noire », a expliqué Kopp. « Cela conduit à un nouveau mécanisme de production de matière noire qui n'a pas été étudié auparavant. »
L'étude suggère que ces ondes gravitationnelles primitives auraient pu produire des fermions qui avaient initialement peu ou pas de masse. Les fermions sont une large classe de particules qui comprend des exemples familiers comme les électrons, les protons et les neutrons. Selon les chercheurs, ces fermions primitifs auraient ensuite gagné en masse et évolué en les particules de matière noire qui existent aujourd'hui.
« La prochaine étape dans le développement de cette ligne de recherche est d'aller au-delà de nos estimations analytiques et de mener des calculs numériques pour améliorer la précision de nos prédictions. Une autre voie pour la recherche future est l'investigation d'autres effets possibles des ondes gravitationnelles dans l'univers primitif. Un exemple serait un mécanisme qui pourrait expliquer la différence bien connue entre les particules et les antiparticules produites », a déclaré Kopp.