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Une nouvelle recherche utilise une antenne « parabolique » coaxiale pour rechercher la matière noire
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Présentation du design du pain. La structure en forme de « Hershey's Kiss » dirige les signaux potentiels de matière noire vers le détecteur de couleur cuivre sur la gauche. Le détecteur est suffisamment compact pour tenir sur une table. Crédit : Collaboration Pain
L’un des plus grands mystères de la science moderne est la matière noire. Nous savons que la matière noire existe grâce à ses effets sur d’autres objets de l’univers, mais nous n’avons jamais pu la voir directement. Ce n’est pas simple : actuellement, les scientifiques estiment qu’elle constitue environ 85 % de la masse totale de l’univers.
Une nouvelle expérience de collaboration menée par l'Université de Chicago et le Fermi National Accelerator Laboratory, connue sous le nom de Broadband Reflector Experiment for Axion Detection ou BREAD, a publié ses résultats. Premiers résultats À la recherche de la matière noire dans une étude publiée dans Lettres d'examen physique. Bien qu’ils n’aient pas trouvé de matière noire, ils ont réduit les contraintes quant à l’endroit où elle pourrait se trouver et ont démontré une approche unique qui pourrait accélérer la recherche de la matière mystérieuse, avec relativement peu d’espace et de coût.
« Nous sommes très enthousiasmés par ce que nous avons pu faire jusqu'à présent », a déclaré UChicago Assoc. Le professeur David Miller, co-responsable de l'expérience avec Andrew Sonnenschein du Fermilab, qui a initialement développé le concept de l'expérience. « Cette conception présente de nombreux avantages pratiques, et nous avons déjà démontré la meilleure sensibilité à ce jour à cette fréquence de 11-12 GHz. »
« Ce résultat constitue une étape importante pour notre concept, démontrant pour la première fois la puissance de notre approche », a déclaré Stefan Knierk, chercheur postdoctoral au Fermilab et auteur principal de l'étude, qui a dirigé la construction et l'exploitation du détecteur. « C'est formidable de pouvoir réaliser ce type de science créative à l'échelle de la table, où une petite équipe peut tout faire, de la construction de l'expérience à l'analyse des données, tout en ayant un impact énorme sur la physique des particules moderne. »
« Il y a quelque chose »
Lorsque nous regardons autour de l’univers, nous pouvons voir qu’il existe une sorte de matière exerçant suffisamment de gravité pour attirer les étoiles et les galaxies et transmettre la lumière, mais aucun télescope ou instrument n’a été capable de capturer directement la source – d’où le nom de « matière noire ». .»
Cependant, comme personne n’a jamais vu de matière noire, nous ne savons pas exactement à quoi elle ressemble ni même exactement où la chercher. « Nous sommes convaincus qu'il existe quelque chose, mais cela peut prendre de très nombreuses formes », a déclaré Miller.
Les scientifiques ont cartographié plusieurs des options les plus probables en matière de lieux et de formes à rechercher. Généralement, l’approche consiste à construire des détecteurs pour effectuer une recherche très complète d’une zone spécifique (dans ce cas, une gamme de fréquences) afin de l’exclure.
Mais une équipe de scientifiques a découvert une approche différente. Leur conception est « large bande », ce qui signifie qu’ils peuvent rechercher un plus large éventail de possibilités, bien qu’avec une résolution légèrement inférieure.
« Si vous y pensez comme à la radio, la recherche de matière noire revient à régler un cadran pour rechercher une station de radio spécifique, sauf qu'il y a un million de fréquences à vérifier », a déclaré Miller. « Notre approche revient à réaliser une enquête globale auprès de 100 000 stations de radio, plutôt que de quelques-unes seulement. »
Preuve de concept
Le détecteur de pain recherche un sous-ensemble spécifique de probabilités. Il est conçu pour rechercher la matière noire sous la forme de ce que l’on appelle des « axones » ou des « photons noirs » – des particules de très petite masse qui peuvent être converties en photon visible dans de bonnes conditions.
Ainsi, BREAD se compose d’un tube métallique doté d’une surface incurvée qui capture et transmet les photons potentiels à un capteur situé à une extrémité. Tout est suffisamment petit pour tenir dans vos bras, ce qui est inhabituel pour ce type d'expérience. Dans la version complète, BREAD sera installé à l’intérieur de l’aimant pour générer un champ magnétique puissant, augmentant ainsi les chances de transformer les particules de matière noire en photons.
Pour prouver le principe, l’équipe a mené l’expérience sans aimant. La collaboration a fait fonctionner le prototype de l'appareil à l'Université de Chicago pendant environ un mois et analysé les données.
Les scientifiques ont déclaré que les résultats étaient très prometteurs, car ils montraient une très grande sensibilité à la fréquence choisie.
Depuis que les résultats sont parus dans Lettres d'examen physique Accepté, BREAD est déplacé à l'intérieur d'un aimant IRM réutilisé au Laboratoire national d'Argonne et prend plus de données. Son dernier domicile, au Fermi National Accelerator Laboratory, utilisera des aimants plus puissants.
« Ce n'est que la première étape d'une série d'expériences passionnantes que nous prévoyons », a déclaré Sonnenshein. « Nous avons de nombreuses idées pour améliorer la sensibilité de notre recherche d'axions. »
« Il y a encore beaucoup de questions ouvertes en science et une énorme marge de manœuvre pour de nouvelles idées créatives pour répondre à ces questions », a déclaré Miller. « Je pense qu'il s'agit d'un exemple vraiment remarquable de ce type d'idée créative – dans ce cas, des partenariats de collaboration percutants entre la science à plus petite échelle dans les universités et la science plus large dans les laboratoires nationaux. »
L'instrument BREAD a été construit au Fermilab dans le cadre du programme de recherche et développement en détection du laboratoire, puis exploité à l'Université de Chicago, où les données de cette étude ont été collectées. Gabe Hoshino, étudiant diplômé de l'Université de Chicago, a dirigé les opérations du détecteur, aux côtés des étudiants de premier cycle Alex Lapointe et Mira Litman.
Le Laboratoire national d'Argonne possède une installation magnétique qui sera utilisée pour la prochaine phase du programme de physique BREAD. D'autres institutions, notamment le SLAC National Accelerator Laboratory, le Lawrence Livermore National Laboratory, l'Illinois Institute of Technology, le MIT, le Jet Propulsion Laboratory, l'Université de Washington, Caltech et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, travaillent avec l'Université de Chicago et Fermilab en recherche et développement pour les futures versions d'Experience.
Plus d'information:
Stefan Knierk et al., Premiers résultats d'une recherche à grande échelle de photons noirs pour la matière noire dans la plage de 44 à 52 μV à l'aide d'une antenne parabolique coaxiale, Lettres d'examen physique (2024). est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.132.131004
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La Chine construit un réseau de radars pour soutenir les prévisions météorologiques spatiales mondiales-China.org.cn
Cette image non datée fournie par le Centre national des sciences spatiales (NSSC) montre des radars à diffusion cohérente haute fréquence situés dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang, dans le nord-ouest de la Chine. [Photo/Xinhua]
La Chine a construit un réseau de radars à haute fréquence aux latitudes moyennes dans les régions du nord du pays afin de fournir des données de détection de haute qualité pour les prévisions et les alertes météorologiques spatiales mondiales.
Le premier lot de résultats de découvertes scientifiques du réseau a été publié lors d’un atelier international sur le réseau de radars super doubles auroral (SuperDARN), qui s’est ouvert lundi à Pékin.
Le réseau, établi par le Centre national des sciences spatiales (NSSC) de l’Académie chinoise des sciences, a été achevé en octobre 2023. Il fait également partie de la deuxième phase du projet chinois Meridian, un réseau de surveillance de la météo spatiale comprenant des stations au sol.
Le Conseil de sécurité nationale a déclaré que la Chine avait réalisé de nouvelles avancées dans la technologie des radars à diffusion cohérente à haute fréquence et dans la recherche scientifique, et qu’elle s’efforcerait d’approfondir la coopération internationale dans ce domaine.
L’ionosphère abrite toutes les particules chargées de l’atmosphère terrestre. Il abrite également de nombreux vaisseaux spatiaux, notamment des stations spatiales. Les scientifiques affirment que des irrégularités dans l’ionosphère pourraient perturber les signaux.
Six radars à diffusion cohérente à haute fréquence ont été installés dans la province du Jilin, dans la région autonome de Mongolie intérieure et dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang, dans les régions du nord de la Chine.
Cette série de radars à haute fréquence permet une détection continue et à grande échelle des irrégularités ionosphériques dans les latitudes moyennes et élevées du secteur asiatique. La portée de détection peut atteindre 4 000 kilomètres du sud au nord, et la portée est-ouest dépasse 12 000 kilomètres, selon le NSSC.
La série de radars à haute fréquence devrait rejoindre le réseau SuperDARN, un réseau mondial de radars scientifiques qui surveillent les conditions dans l’environnement spatial proche de la Terre et permettent l’échange et le partage de données en temps réel avec des bases de données au Royaume-Uni et au Canada.
SuperDARN, qui compte des membres provenant de dizaines de pays, dont le Royaume-Uni, les États-Unis, le Canada, le Japon, la Chine, la France, l’Italie, la Norvège, l’Australie et l’Afrique du Sud, est également l’une des principales organisations internationales participant à l’International Meridian Circle. Le programme proposé par la Chine.
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Des courants d’étoiles étonnamment anciens pourraient être les éléments constitutifs de la Voie Lactée
Une visualisation de la Voie Lactée mettant en évidence deux flux d’étoiles anciennes récemment découverts, Shiva (vert) et Shakti (rose). Crédit : S. Payne-Wardenar / K. Mallahan/MPIA
Les archéologues hongrois, déchiffrant l’arbre généalogique complexe de notre galaxie, ont découvert deux autres branches : des flux primordiaux de milliers d’étoiles près du cœur de la Voie lactée qui pourraient être deux de ses premiers morceaux il y a au moins 12 milliards d’années. Les anciens amas se sont probablement formés avant même que le disque et les bras spiraux de la Voie lactée ne commencent à se former, fournissant ainsi de nouvelles informations sur la façon dont notre galaxie vieille de 13,6 milliards d’années s’est formée à ses débuts et s’est assemblée vers la spirale organisée que nous connaissons aujourd’hui.
Les étoiles des deux courants ont entre 12 et 13 milliards d’années, si vieilles que leurs découvreurs ont été étonnés de pouvoir les détecter, et encore moins les découvrir dans des amas aussi clairement distinguables. Les astronomes soupçonnent que ces filaments stellaires, chacun mesurant environ 10 millions de soleils, ont été laissés sur place lorsque leurs galaxies massives ont fusionné avec la Voie Lactée naissante, il y a environ 12 milliards d’années. Si cette hypothèse était confirmée par de futures observations, les astronomes auraient détecté la genèse de la Voie Lactée, représentant une époque où la Voie Lactée naissante se regroupait à la suite de multiples fusions avec des galaxies plus petites et malheureuses.
Les nouveaux brins d’étoiles ont été nommés Shiva et Shakti, en hommage au couple divin hindou dont l’union aurait créé l’univers. Shiva semble héberger environ 5 600 étoiles et Shakti environ 1 700 étoiles, et il reste probablement beaucoup d’autres étoiles à découvrir.
Shiva et Shakti sont « deux ajouts fascinants à la famille des mystères que nous accumulons dans les amas de la Voie lactée », explique Bob Benjamin, astronome à l’Université du Wisconsin-Whitewater, qui n’a pas été impliqué dans la découverte mais dans ses recherches. Se concentre sur la structure de la Voie Lactée. « Il y a un grand enthousiasme autour de cette idée car nous pouvons maintenant voir de très nombreux morceaux de la galaxie avec leurs propres histoires individuelles se réunir pour créer la galaxie que nous connaissons et aimons. »
Messages mitigés
Les étoiles de Shiva et de Shakti orbitent sur des « orbites tout à fait uniques » autour de la Voie lactée qui diffèrent des étoiles laissées par d’autres fusions de galaxies, explique Khyati Malhan de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) en Allemagne, qui a dirigé la découverte. Bien qu’ils soient les restes de deux galaxies distinctes, la composition chimique des deux amas d’étoiles est assez similaire, ce qui indique que leurs galaxies mères étaient également denses, explique Malhan.
Malhan et son collègue Hans-Walter Rex du MPIA ont découvert les étoiles en analysant les données envoyées par l’Observatoire européen Gaia, qui cartographie les mouvements et les spectres de millions d’étoiles dans notre galaxie. Il décrit le duo Shiva et Shakti un peu plus loin dans un article publié en mars dans la revue Journal d’astrophysique.
Pour reconstituer l’histoire de notre galaxie, les astronomes classent généralement les étoiles en deux groupes : celles nées à l’intérieur de notre galaxie et celles à l’extérieur de notre galaxie qui ont été absorbées par les puissantes forces de marée de notre galaxie. Les deux groupes ont généralement des compositions chimiques distinctes. Les étoiles in situ comme celles qui habitent le disque de notre galaxie sont riches en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, dont le fer. Ces éléments se forment lorsque les étoiles sont « bien cuites sous pression » dans l’environnement dense de notre galaxie, explique Malhan. En revanche, les étoiles ex situ telles que celles dispersées dans la couronne relativement clairsemée ne contiennent pas de grands réservoirs de métaux lourds.
Étonnamment, les données de Gaia montrent que Shiva et Shakti manquent de fer, ce qui suggère qu’ils sont nés en dehors de notre galaxie et ont ensuite fusionné, mais qu’ils sont riches en d’autres éléments lourds généralement attribués aux étoiles locales. « C’est là que Shiva et Shakti nous envoient des signaux mitigés », dit Malhan. La précision cosmique a brouillé la véritable origine de ces étoiles, ce qui a pour effet d’améliorer notre compréhension des débuts de l’histoire de la Voie Lactée.
«Ils présentent un casse-tête intéressant», explique Benjamin. « En tant que scientifique, j’aime cette partie car elle signifie que nous avons des débats. »
Les étoiles nouvellement découvertes sont peut-être nées sur place, puis déplacées des profondeurs de notre galaxie vers leur site de découverte à environ 26 000 années-lumière du centre. Cela serait dû à la bande centrale de la Voie lactée, la structure dense de plusieurs milliers d’années-lumière qui relie les bras spiraux de la galaxie. Tout comme un ventilateur rotatif pousse les molécules d’air dans des poches denses, la barre tourbillonnante de notre galaxie « saisit » les étoiles, les rassemblant en amas bondés. Le « bar trapping », qui piège les étoiles sur des orbites en harmonie avec les orbites des barres, explique la chimie observée des nouvelles étoiles « assez simplement et facilement », explique l’astronome Vasiliy Belokurov de l’Université de Cambridge, qui étudie la formation des galaxies ( même s’il n’en était pas un). Participation à la nouvelle étude). « La bande aide : elle fait ressortir ces étoiles et nous les présente en quelque sorte. »
Si les étoiles ne sont qu’un artefact de la rotation de la barre, Malhan et Rex soutiennent que la chimie des nouvelles étoiles devrait être similaire aux débris d’une autre fusion de galaxies appelée Gaia-Sausage-Encelade d’il y a 10 milliards d’années, dont les restes représente un amas de galaxies. Des étoiles bleues dans le halo de notre galaxie. « Jusqu’à présent, cela ne semble pas être le cas », déclare Malhan.
«Le temps nous le dira», dit Benjamin. « Pour les raisons qu’ils ont données, je pense qu’ils ont la bonne explication. »
Cependant, tout le monde n’est pas convaincu que les débris du GSE constituent une comparaison précise avec les nouvelles étoiles. Belokurov souligne que les étoiles restantes de la fusion GSE ne passent pas de temps près du centre de la Voie lactée, où elles pourraient interagir avec sa barre, donc « elles ne peuvent pas vraiment être piégées », dit-il. « Une fois que vous réalisez cela, cela fait pencher la balance dans l’autre sens. »
Bien que Belokurov applaudisse la transparence de l’équipe en soulignant des alternatives à l’explication principale, il existe « une confusion de leur part quant à ce à quoi devrait ressembler la chimie de ces structures centrales si elles faisaient partie de la couronne piégée et tournée par la barre », dit-il. . .
Les données provenant du vaisseau spatial Gaia, dont le lancement est prévu début 2026, incluront des étoiles faibles et fourniront plus de détails sur l’origine de Shiva et Shakti. Même si les nouvelles étoiles finissent par ne pas être représentatives de la façon dont la Voie Lactée s’est formée, elles pourraient quand même révéler des indices intéressants sur la façon dont elle a évolué au fil des éons, dit Benjamin. « Pour moi, c’est tout aussi excitant. »
L’archéologie hongroise à travers les yeux de Gaia
Au cours d’entretiens, Benjamin, Malhan et d’autres astronomes ont loué à plusieurs reprises le vaisseau spatial Gaia pour son poids révolutionnaire dans le déchiffrement de l’histoire de notre galaxie. Malhan souligne qu’il y a à peine dix ans, la première fusion connue avec notre Voie lactée a eu lieu il y a 6 milliards d’années, lorsque la galaxie naine du Sagittaire est tombée dans notre galaxie. Précisément Cartographie des étoiles par Gaia Cependant, à partir d’étoiles de plus en plus faibles, les astronomes ont découvert en 2019 des débris issus d’une fusion GSE il y a 10 milliards d’années. La prétendue infusion de Shiva et Shakti révélée par Gaia il y a 12 milliards d’années ramène les astronomes dans le temps.
« C’est comme si quelqu’un disait : ‘Nous allons vous offrir chaque année une nouvelle paire de lunettes, qui amélioreront votre vision chaque année' », explique Benjamin. « Pense à quel point tu es excité. »
« Tous les outils et les connaissances que nous appliquons aujourd’hui existaient dans une certaine mesure il y a dix ans », ajoute Malhan. Cependant, les données de Gaia fournissent les vues les plus claires à ce jour de notre galaxie remontant à ses tout premiers débuts, dit-il. « C’est grâce à Gaia. »
Bien sûr, notre Voie lactée n’est pas la seule galaxie à avoir l’habitude de cannibaliser ses plus petits membres. Les astronomes savent grâce aux simulations cosmologiques que chaque galaxie évolue – et parfois se déchire – à travers des fusions qui se produisent sur des milliards d’années. Cependant, la rapidité avec laquelle une galaxie grandit ou meurt dépend en grande partie de facteurs exclusifs à sa situation dans notre univers, tels que la dispersion de son habitat avec d’autres galaxies.
« Chaque galaxie a sa propre histoire », explique Benjamin. « Mais ce qui est spécial dans notre galaxie, c’est que nous pouvons reconstituer son histoire. »
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