Ce graphique illustre comment la lumière d'un quasar lointain est altérée par une galaxie massive au premier plan et par de minuscules amas de matière noire le long du trajet lumineux. La puissante gravité de la galaxie déforme et amplifie la lumière du quasar, produisant quatre images déformées du quasar. Les amas de matière noire se trouvent le long de la ligne de mire du télescope spatial Hubble vers le quasar, ainsi qu'à l'intérieur et autour de la galaxie de premier plan. La présence des amas de matière noire modifie la luminosité apparente et la position de chaque image de quasar déformée en déformant et en courbant légèrement la lumière lorsqu'elle se déplace du quasar distant vers la Terre, comme représenté par les lignes ondulées dans le graphique. Les astronomes ont comparé ces mesures avec des prédictions sur l'apparence des images de quasar sans l'influence des amas de matière noire. Les chercheurs ont utilisé ces mesures pour calculer les masses des minuscules concentrations de matière noire. La matière noire est une substance invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l'univers et crée l'échafaudage sur lequel les galaxies sont construites. Les images quadruples d'un quasar sont rares car le quasar d'arrière-plan et la galaxie de premier plan nécessitent un alignement presque parfait. Crédit :NASA, ESA, et D. Joueur (STScI)
Lors de la recherche de matière noire, les astronomes doivent se lancer dans une sorte de « chasse aux fantômes ». C'est parce que la matière noire est une substance invisible qui ne peut pas être vue directement. Pourtant, il constitue l'essentiel de la masse de l'univers et forme l'échafaudage sur lequel les galaxies sont construites. La matière noire est la « colle » gravitationnelle qui maintient ensemble les galaxies ainsi que les amas de galaxies. Les astronomes peuvent détecter sa présence indirectement en mesurant comment sa gravité affecte les étoiles et les galaxies.
La substance mystérieuse n'est pas composée de la même substance qui compose les étoiles, planètes, et les gens. Ce matériau est de la matière "baryonique" normale, constitué d'électrons, protons, et les neutrons. Cependant, la matière noire pourrait être une sorte de particule subatomique inconnue qui interagit faiblement avec la matière normale.
Une théorie populaire soutient que les particules de matière noire ne se déplacent pas très rapidement, ce qui leur permet de se regrouper plus facilement. Selon cette idée, l'univers contient une large gamme de concentrations de matière noire, du petit au grand.
Les astronomes ont détecté des amas de matière noire autour de galaxies de grande et moyenne taille. Maintenant, en utilisant Hubble et une nouvelle technique d'observation, les astronomes ont découvert que la matière noire forme des amas beaucoup plus petits que ceux connus auparavant.
Les chercheurs ont recherché de petites concentrations de matière noire dans les données de Hubble en mesurant comment la lumière des quasars lointains est affectée lors de son voyage dans l'espace. Les quasars sont les noyaux lumineux alimentés par les trous noirs de galaxies très éloignées. Les images de Hubble montrent que la lumière de ces images de quasars est déformée et amplifiée par la gravité des galaxies massives de premier plan dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Les astronomes ont utilisé cet effet de lentille pour détecter les petits amas de matière noire. Les touffes sont situées le long de la ligne de mire du télescope vers les quasars, ainsi que dans et autour des galaxies lentilles de premier plan.
Chacun de ces instantanés du télescope spatial Hubble révèle quatre images déformées d'un quasar d'arrière-plan et de sa galaxie hôte entourant le noyau central d'une galaxie massive au premier plan. La gravité de la galaxie massive de premier plan agit comme une loupe en déformant la lumière du quasar dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Les quasars sont des lampadaires cosmiques extrêmement éloignés produits par des trous noirs actifs. De telles images quadruples de quasars sont rares en raison de l'alignement presque exact nécessaire entre la galaxie de premier plan et le quasar d'arrière-plan. Les astronomes ont utilisé l'effet de lentille gravitationnelle pour détecter les plus petits amas de matière noire jamais trouvés. Les touffes sont situées le long de la ligne de mire du télescope vers les quasars, ainsi que dans et autour des galaxies lentilles de premier plan. La présence des concentrations de matière noire modifie la luminosité apparente et la position de chaque image de quasar déformée. Les astronomes ont comparé ces mesures avec des prédictions sur l'apparence des images de quasar sans l'influence des amas de matière noire. Les chercheurs ont utilisé ces mesures pour calculer les masses des minuscules concentrations de matière noire. La caméra à champ large 3 de Hubble a capturé la lumière proche infrarouge de chaque quasar et l'a dispersée dans ses couleurs composantes pour une étude par spectroscopie. Les images ont été prises entre 2015 et 2018. Crédit :NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) et T. Treu (UCLA)
En utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA et une nouvelle technique d'observation, les astronomes ont découvert que la matière noire forme des amas beaucoup plus petits que ceux connus auparavant. Ce résultat confirme l'une des prédictions fondamentales de la théorie largement acceptée de la « matière noire froide ».
Toutes les galaxies, selon cette théorie, se forment et sont noyés dans des nuages de matière noire. La matière noire elle-même consiste en un mouvement lent, ou "froid, " des particules qui se rassemblent pour former des structures allant de centaines de milliers de fois la masse de la galaxie de la Voie lactée à des amas pas plus massifs que le poids d'un avion commercial. (Dans ce contexte, « froid » fait référence à la vitesse des particules.)
L'observation de Hubble fournit de nouvelles informations sur la nature de la matière noire et son comportement. "Nous avons fait un test d'observation très convaincant pour le modèle de la matière noire froide et il passe avec brio, " a déclaré Tommaso Treu de l'Université de Californie, Los Angeles (UCLA), un membre de l'équipe d'observation.
La matière noire est une forme de matière invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l'univers et crée l'échafaudage sur lequel les galaxies sont construites. Bien que les astronomes ne puissent pas voir la matière noire, ils peuvent détecter sa présence indirectement en mesurant comment sa gravité affecte les étoiles et les galaxies. Détecter les plus petites formations de matière noire en recherchant des étoiles incrustées peut être difficile voire impossible, car ils contiennent très peu d'étoiles.
Alors que des concentrations de matière noire ont été détectées autour de galaxies de grande et moyenne taille, des amas beaucoup plus petits de matière noire n'ont pas été trouvés jusqu'à présent. En l'absence de preuves d'observation pour de telles touffes à petite échelle, certains chercheurs ont développé des théories alternatives, y compris "matière noire chaude". Cette idée suggère que les particules de matière noire se déplacent rapidement, filer trop vite pour fusionner et former de plus petites concentrations. Les nouvelles observations ne supportent pas ce scénario, constatant que la matière noire est "plus froide" qu'elle ne devrait l'être dans la théorie alternative de la matière noire chaude.
"La matière noire est plus froide que ce que nous savions à plus petite échelle, " a déclaré Anna Nierenberg du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, chef de l'enquête Hubble. "Les astronomes ont déjà effectué d'autres tests d'observation des théories de la matière noire, mais le nôtre fournit la preuve la plus solide à ce jour de la présence de petits amas de matière noire froide. En combinant les dernières prédictions théoriques, outils statistiques, et de nouvelles observations de Hubble, nous avons maintenant un résultat beaucoup plus robuste qu'il n'était possible auparavant."
La chasse aux concentrations de matière noire dépourvues d'étoiles s'est avérée difficile. L'équipe de recherche Hubble, cependant, ont utilisé une technique dans laquelle ils n'avaient pas besoin de rechercher l'influence gravitationnelle des étoiles en tant que traceurs de la matière noire. L'équipe a ciblé huit "réverbères cosmiques puissants et distants, " appelés quasars (régions autour des trous noirs actifs qui émettent d'énormes quantités de lumière). Les astronomes ont mesuré comment la lumière émise par l'oxygène et le gaz néon en orbite autour de chacun des trous noirs des quasars est déformée par la gravité d'une galaxie massive au premier plan, qui agit comme une loupe.
En utilisant cette méthode, l'équipe a découvert des amas de matière noire le long de la ligne de visée du télescope vers les quasars, ainsi que dans et autour des galaxies lentilles intermédiaires. Les concentrations de matière noire détectées par Hubble sont de 1/10, 000e au 1/100, 000e fois la masse du halo de matière noire de la Voie lactée. Beaucoup de ces petits groupes ne contiennent probablement même pas de petites galaxies, et aurait donc été impossible à détecter par la méthode traditionnelle de recherche d'étoiles incrustées.
Les huit quasars et galaxies étaient alignés si précisément que l'effet de distorsion, appelé lentille gravitationnelle, produit quatre images déformées de chaque quasar. L'effet est comme regarder un miroir funhouse. De telles images quadruples de quasars sont rares en raison de l'alignement presque exact nécessaire entre la galaxie de premier plan et le quasar d'arrière-plan. Cependant, les chercheurs avaient besoin de plusieurs images pour effectuer une analyse plus détaillée.
La présence des amas de matière noire modifie la luminosité apparente et la position de chaque image de quasar déformée. Les astronomes ont comparé ces mesures avec des prédictions sur l'apparence des images de quasar sans l'influence de la matière noire. Les chercheurs ont utilisé les mesures pour calculer les masses des minuscules concentrations de matière noire. Pour analyser les données, les chercheurs ont également développé des programmes informatiques élaborés et des techniques de reconstruction intensives.
"Imaginez que chacune de ces huit galaxies est une loupe géante, " a expliqué le membre de l'équipe Daniel Gilman de l'UCLA. " De petits amas de matière noire agissent comme de petites fissures sur la loupe, modifiant la luminosité et la position des quatre images de quasar par rapport à ce que vous vous attendriez à voir si le verre était lisse. »
Les chercheurs ont utilisé la caméra à champ large 3 de Hubble pour capturer la lumière proche infrarouge de chaque quasar et la disperser dans ses couleurs composantes pour une étude par spectroscopie. Les émissions uniques des quasars de fond sont mieux vues en lumière infrarouge. "Les observations de Hubble depuis l'espace nous permettent de faire ces mesures dans des systèmes de galaxies qui ne seraient pas accessibles avec la résolution inférieure des télescopes au sol - et l'atmosphère terrestre est opaque à la lumière infrarouge que nous devions observer, " a expliqué Simon Birrer, membre de l'équipe de l'UCLA.
Treu a ajouté :« C'est incroyable qu'après près de 30 ans de fonctionnement, Hubble permet des vues de pointe sur la physique fondamentale et la nature de l'univers dont nous n'avions même pas rêvé lorsque le télescope a été lancé."
Les lentilles gravitationnelles ont été découvertes en passant au crible des levés au sol tels que le Sloan Digital Sky Survey et le Dark Energy Survey, qui fournissent les cartes tridimensionnelles les plus détaillées de l'univers jamais réalisées. Les quasars sont situés à environ 10 milliards d'années-lumière de la Terre; les galaxies du premier plan, environ 2 milliards d'années-lumière.
Le nombre de petites structures détectées dans l'étude offre plus d'indices sur la nature de la matière noire. "Les propriétés des particules de la matière noire affectent le nombre de touffes qui se forment, " Nierenberg a expliqué. " Cela signifie que vous pouvez en apprendre davantage sur la physique des particules de la matière noire en comptant le nombre de petits amas. "
Cependant, le type de particule qui compose la matière noire est encore un mystère. "Maintenant, il n'y a aucune preuve directe en laboratoire de l'existence de particules de matière noire, " a déclaré Birrer. " Les physiciens des particules ne parleraient même pas de la matière noire si les cosmologistes ne disaient pas qu'elle est là, sur la base des observations de ses effets. Quand nous, cosmologistes, parlons de matière noire, nous demandons, 'Comment gouverne-t-il l'apparition de l'univers, et à quelle échelle ?'"
Les astronomes pourront mener des études de suivi de la matière noire à l'aide des futurs télescopes spatiaux de la NASA tels que le James Webb Space Telescope et le Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), les deux observatoires infrarouges. Webb sera capable d'obtenir efficacement ces mesures pour tous les quasars à lentilles quadruples connus. La netteté et le grand champ de vision de WFIRST aideront les astronomes à faire des observations de toute la région de l'espace affectée par l'immense champ gravitationnel des galaxies massives et des amas de galaxies. Cela aidera les chercheurs à découvrir beaucoup plus de ces systèmes rares.
L'équipe présentera ses résultats à la 235e réunion de l'American Astronomical Society à Honolulu, Hawaii.
