Les effets du plasmon dans les magnétosphères des étoiles à neutrons pourraient poser de nouvelles limites à la détection des axions.

19 septembre 2025

par Ingrid Fadelli, Phys.org

écrivain collaborateur

édité par Sadie Harley, révisé par Robert Egan

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La matière noire est un type de matière insaisissable qui n'émet pas, ne réfléchit pas ou n'absorbe pas la lumière, mais qui est censée représenter la majeure partie de la masse de l'univers. Comme elle ne peut pas être détectée et étudiée avec des techniques expérimentales classiques, la nature et la composition de la matière noire n'ont pas encore été découvertes.

L'un des candidats à la matière noire les plus prometteurs (c'est-à-dire des particules hypothétiques dont la matière noire pourrait être composée) sont les axions. La théorie suggère que les axions pourraient se convertir en particules de lumière (c'est-à-dire en photons) dans des conditions spécifiques, ce qui pourrait à son tour générer des signaux détectables par des équipements sophistiqués. 

Dans des champs magnétiques intenses, comme ceux entourant les étoiles à neutrons avec de grands champs magnétiques (c'est-à-dire les magnétoars), la conversion des axions en photons a été prédite pour générer des signaux radio faibles qui pourraient être détectés à l'aide de télescopes radio terrestres ou spatiaux puissants.

Des chercheurs de l'Institut Polytechnique de Lisbonne et d'autres instituts ont récemment montré que certains de ces signaux radio pourraient être perdus avant de traverser l'espace en raison des interactions entre les axions et le plasma dans les magnétosphères des magnétoars, des régions autour des étoiles à neutrons où les champs magnétiques dominent.

Leur article, publié dans Physical Review Letters, pourrait éclairer la mise au point de stratégies visant à détecter les axions de matière noire à l'aide de télescopes radio.

« Notre étude a commencé par une simple conversation 'et si' avec mes coauteurs », a déclaré Hugo Terças, professeur adjoint à l'Instituto Superior de Engenharia de Lisboa et premier auteur de l'article, à Phys.org.

« Nous discutions des façons dont les axions pourraient interagir avec les plasmons, qui sont essentiellement les 'ondes' collectives dans un plasma. Une fois que nous avons réalisé qu'une conversation 'pourrait' se produire entre eux, le pas suivant logique était de trouver l'endroit idéal dans l'univers où cela pourrait se produire. »

Après avoir débattu des conditions possibles dans lesquelles les axions pourraient interagir avec le plasma, les chercheurs ont identifié l'environnement extrême censé entourer les magnétoars. Cette région de l'espace, connue sous le nom de magnétosphère, offrait finalement un scénario idéal dans lequel ils pourraient tester leur idée.

« Imaginez que les chercheurs précédents écoutaient une note spécifique d'une flûte lointaine (le signal axion), » a expliqué Terças.

« Ils ont calculé à quel point cette note devrait être forte. Notre travail a découvert que la flûte a une fuite. Avant que le son ne nous parvienne, une partie de l'air (ici, les axions) s'échappe par cette fuite dans un autre instrument qui est sourd et ne peut pas être entendu (les plasmons). Par conséquent, la note que nous essayons d'entendre est bien plus silencieuse que ce que quiconque a calculé. »

Essentiellement, Terças et ses collègues ont mené une analyse approfondie visant à mesurer dans quelle mesure les signaux associés à la conversion des axions en photons se « perdent » en raison des interactions avec les plasmons (c'est-à-dire les particules de plasma).

Leurs découvertes suggèrent que lorsqu'on tient compte de cette fuite, les signaux parcourant l'espace seraient beaucoup plus faibles que ce qui avait été initialement prédit, ce qui signifie que les télescopes radio devraient être bien plus sensibles qu'ils ne le sont actuellement pour les capter.

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« Je pense que la partie la plus excitante de notre travail est à quel point ce mécanisme sous-jacent est universel », a déclaré Terças. « Nous l'avons découvert dans le contexte extrême de la matière noire et des magnétoars, mais c'est un processus fondamental qui émerge constamment en physique. Un exemple parfait est dans la recherche sur la fusion nucléaire, dans des réacteurs en forme de donuts appelés tokamaks.

« Les scientifiques utilisent ce même principe pour chauffer le plasma : ils envoient des ondes électromagnétiques, qui se convertissent en ondes de plasma et déposent leur énergie, chauffant le système. C'est la même physique ! »

Fait intéressant, l'effet lié à l'interaction des plasmons décrit par les chercheurs pourrait également être pertinent pour d'autres sujets en dehors de la physique de la matière noire. En effet, leur article offre un nouveau cadre qui pourrait façonner la compréhension de la conversion d'énergie à travers une large gamme de systèmes physiques.

« Notre étude montre comment la physique fondamentale relie des domaines en apparence sans rapport », a déclaré Terças. « Notre grand projet de recherche future consiste à complètement inverser la donne. Actuellement, la recherche avec les télescopes radio est passive - les astronomes attendent qu'une étoile lointaine nous envoie un signal. Nous voulons passer d'auditeurs passifs à des créateurs actifs. » Dans le cadre de leurs travaux futurs, Terças et ses collègues espèrent également réussir à réaliser des axions dans leur laboratoire. Pour réussir dans cette entreprise, ils devraient d'abord créer une sorte de « plasma synthétique ». « Un 'plasma synthétique' est un matériau fabriqué qui imite les conditions extrêmes de la magnétosphère d'un magnétar mais sur une table », a ajouté Terças. « Cela nous permettrait de régler l'environnement et de créer essentiellement les conditions parfaites pour inciter les axions à apparaître à travers ce mécanisme de conversion que nous avons découvert. C'est une manière beaucoup plus directe de les chasser. » Écrit pour vous par notre auteure Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié par Robert Egan - cet article est le résultat d'un travail humain soigneux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reportage est important pour vous, veuillez envisager un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un compte sans publicité en guise de remerciement. Plus d'informations : H. Terças et al, Resonant Axion-Plasmon Conversion in Neutron Star Magnetospheres, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5hbb-yy48. Informations sur la revue : Physical Review Letters © 2025 Science X Network »