Enchevêtrés parmi les galaxies de cette image de Hubble se trouvent des arcs de lumière bleue d'aspect mystérieux. Ce sont en fait des images déformées de galaxies éloignées derrière l'amas. La gravité collective de toute la matière normale et noire piégée à l'intérieur de l'amas déforme l'espace-temps et affecte la lumière voyageant à travers l'amas vers la Terre. Crédit :NASA, ESA, et J. Lotz et l'équipe HFF (STScI)
La vraie nature de la matière noire est l'un des plus grands mystères de l'univers. Les scientifiques essaient de déterminer de quoi est faite exactement la matière noire afin de pouvoir la détecter directement, mais notre compréhension actuelle a tant de lacunes, il est difficile de savoir exactement ce que nous recherchons. La capacité de WFIRST à étudier de vastes étendues de l'univers nous aidera à comprendre de quoi la matière noire pourrait être constituée en explorant la structure et la distribution de la matière et de la matière noire dans l'espace et le temps.
Pourquoi la matière noire est-elle un sujet si déroutant ? Les scientifiques ont soupçonné son existence pour la première fois il y a plus de 80 ans, lorsque l'astronome américano-suisse Fritz Zwicky a observé que les galaxies de l'amas de Coma se déplaçaient si rapidement qu'elles auraient dû être projetées dans l'espace, mais elles sont restées liées gravitationnellement à l'amas par de la matière invisible. Puis dans les années 1970, L'astronome américaine Vera Rubin a découvert le même type de problème dans des galaxies spirales individuelles. Les étoiles vers le bord de la galaxie se déplacent trop vite pour être retenues par la matière lumineuse de la galaxie - il doit y avoir beaucoup plus de matière que ce que nous pouvons voir dans ces galaxies pour maintenir les étoiles en orbite. Depuis ces découvertes, les scientifiques ont essayé de reconstituer le puzzle en utilisant des indices clairsemés.
Il existe actuellement un large éventail de candidats à la matière noire. Nous n'avons même pas une très bonne idée de la masse des particules de matière noire, ce qui rend difficile de déterminer la meilleure façon de les rechercher. Les études à grand champ de WFIRST fourniront un aperçu complet de la distribution des galaxies et des amas de galaxies à travers l'univers dans les études de matière noire les plus détaillées jamais entreprises, grâce aux effets gravitationnels de la matière noire. Ces enquêtes donneront un nouvel aperçu de la nature fondamentale de la matière noire, qui permettra aux scientifiques d'affiner leurs techniques de recherche.
La plupart des théories sur la nature des particules de matière noire suggèrent qu'elles n'interagissent presque jamais avec la matière normale. Même si quelqu'un laissait tomber un gros morceau de matière noire sur ta tête, vous ne percevrez probablement rien. Vous n'auriez aucun moyen de détecter sa présence - tous vos sens sont sans objet lorsqu'il s'agit de matière noire. Vous ne voudriez même pas l'empêcher de se précipiter directement à travers votre corps et vers le noyau de la Terre.
Cela n'arrive pas à la matière ordinaire, comme des chats ou des humains, parce que les forces entre les atomes du sol et les atomes de notre corps nous empêchent de tomber à travers la surface de la Terre, mais la matière noire se comporte étrangement. La matière noire est si discrète qu'elle est même invisible pour les télescopes qui observent le cosmos sous des formes de lumière que nos yeux ne peuvent pas voir, des ondes radio aux rayons gamma de haute énergie.
Cette mosaïque du télescope spatial Hubble montre une partie de l'immense amas de galaxies Coma - contenant plus de 1, 000 galaxies -- situées à 300 millions d'années-lumière. Le mouvement rapide de ses galaxies a été le premier indice de l'existence de la matière noire. Crédit :NASA, ESA, J. Mack (STScI) et J. Madrid (Australian Telescope National Facility
"Lensing" de la matière noire
Si la matière noire est invisible, comment sait-on qu'il existe ? Bien que la matière noire n'interagisse pas avec la matière normale dans la plupart des cas, il l'affecte gravitationnellement (c'est ainsi qu'il a été découvert pour la première fois il y a des décennies), nous pouvons donc cartographier sa présence en regardant des amas de galaxies, les structures les plus massives de l'univers.
La lumière voyage toujours en ligne droite, mais l'espace-temps – le tissu de l'univers – est courbé par des concentrations de masse en son sein. Ainsi, lorsque la lumière passe par une masse, son chemin s'incurve aussi :une ligne droite dans un espace courbe. La lumière qui passerait normalement près d'un amas de galaxies se penche plutôt vers et autour de lui, produisant des images intensifiées - et parfois multiples - de la source d'arrière-plan. Ce processus, appelé lentille gravitationnelle forte, transforme les amas de galaxies en télescopes naturels colossaux qui nous donnent un aperçu d'objets cosmiques lointains qui seraient normalement trop faibles pour être visibles.
Étant donné que plus de matière conduit à des effets de lentille plus forts, les observations par lentille gravitationnelle fournissent un moyen de déterminer l'emplacement et la quantité de matière dans les amas de galaxies. Les scientifiques ont découvert que toute la matière visible que nous voyons dans les amas de galaxies n'est pas suffisante pour créer les effets de déformation observés. La matière noire fournit le surplus de gravité.
Les scientifiques ont confirmé des observations antérieures en mesurant la quantité de matière dans le tout premier univers qui est "normale" et celle qui est "sombre" à l'aide d'expériences telles que la sonde d'anisotropie micro-onde Wilkinson de la NASA (WMAP). Même si la matière normale compose tout ce que nous pouvons voir, l'univers doit contenir plus de cinq fois plus de matière noire pour correspondre aux observations.
WFIRST s'appuiera sur des études antérieures sur la matière noire en utilisant ce que l'on appelle une lentille gravitationnelle faible qui suit comment de plus petits amas de matière noire déforment les formes apparentes de galaxies plus éloignées. L'observation des effets de lentille à cette échelle plus raffinée permettra aux scientifiques de combler davantage de lacunes dans notre compréhension de la matière noire.
La mission mesurera les emplacements et les quantités de matière normale et de matière noire dans des centaines de millions de galaxies. Tout au long de l'histoire cosmique, la matière noire a déterminé la formation et l'évolution des étoiles et des galaxies. Si la matière noire est constituée de matière lourde, particules lentes, il s'agglomérerait facilement et WFIRST devrait voir la formation de galaxies au début de l'histoire cosmique. Si la matière noire est composée de plus léger, particules se déplaçant plus rapidement, il faudrait plus de temps pour s'installer en touffes et pour que les structures à grande échelle se développent.
Les études de lentilles gravitationnelles de WFIRST nous permettront de remonter dans le temps pour retracer comment les galaxies et les amas de galaxies se sont formés sous l'influence de la matière noire. Si les astronomes peuvent affiner les candidats pour les particules de matière noire, nous ferons un pas de plus pour enfin les détecter directement dans des expériences sur Terre.
