Des recherches de l'Université de Pennsylvanie pourraient faire la lumière sur la distribution de l'une des substances les plus mystérieuses de l'univers.

Dans les années 1970, les scientifiques ont remarqué quelque chose d'étrange dans le mouvement des galaxies. Toute la matière au bord des galaxies spirales tournait aussi vite que la matière à l'intérieur de la galaxie. Mais selon les lois de la gravité, les objets à la périphérie devraient se déplacer plus lentement.

L'explication :Une forme de matière appelée matière noire qui n'interagit pas directement avec la lumière.

De nombreux scientifiques pensent maintenant que plus de 80 pour cent de la matière de l'univers est enfermée dans un mystérieux pas encore détecté, particules de matière noire, qui affectent tout, de la façon dont les objets se déplacent dans une galaxie à la façon dont les galaxies et les amas de galaxies se regroupent en premier lieu.

Cette matière noire s'étend bien au-delà de la portée des étoiles les plus éloignées de la galaxie, formant ce que les scientifiques appellent un halo de matière noire. Alors que les étoiles de la galaxie tournent toutes de manière ordonnée, disque organisé, ces particules de matière noire sont comme un essaim d'abeilles, se déplaçant de manière chaotique dans des directions aléatoires, ce qui les maintient gonflés pour équilibrer l'attraction intérieure de la gravité.

Bhuvnesh Jain, professeur de physique à la Penn's School of Arts &Sciences, et le postdoctorant Eric Baxter mènent des recherches qui pourraient donner de nouvelles perspectives sur la structure de ces halos.

Les chercheurs voulaient déterminer si ces halos de matière noire avaient un bord ou une frontière.

"Les gens ont généralement imaginé une transition assez douce de la matière liée à la galaxie à la matière entre les galaxies, qui est également attiré gravitationnellement par les galaxies et les amas, " dit Jain. " Mais théoriquement, en utilisant des simulations informatiques il y a quelques années, des chercheurs de l'Université de Chicago ont montré que pour les amas de galaxies, une frontière nette est attendue, fournissant une transition distincte que nous devrions être en mesure de voir grâce à une analyse minutieuse des données. »

Les scientifiques pensent que cette région, ou "edge" est dû à "l'effet splashback".

"Vous avez ce grand halo de matière noire assis là, " Baxter a dit, "Et il a accumulé de la matière gravitationnellement au cours de toute son histoire. Au fur et à mesure que cette matière est attirée, ça va de plus en plus vite. Quand il tombe enfin dans le halo, il fait demi-tour et commence à orbiter. Ce revirement est ce que les gens ont commencé à appeler splashback, parce que les choses rejaillissent dans un certain sens."

Alors que l'affaire « refait surface, " il ralentit. Parce que cet effet se produit dans de nombreuses directions différentes, cela conduit à une accumulation de matière juste au bord du halo et à une chute abrupte de la quantité de matière juste à l'extérieur de cette position. C'est ce que les chercheurs de Penn ont exploré dans les données.

À l'aide d'un levé de galaxie appelé Sloan Digital Sky Survey, ou SDSS, Baxter et Jain ont examiné la distribution des galaxies autour des amas. Ils ont formé une équipe d'experts à l'Université de Chicago et d'autres institutions à travers le monde pour examiner des milliers d'amas de galaxies. En utilisant des outils statistiques pour faire une analyse conjointe de plusieurs millions de galaxies qui les entourent, ils ont trouvé une goutte au bord de l'amas. Baxter et son collaborateur Chihway Chang à l'Université de Chicago ont dirigé un article rapportant les résultats, accepté pour publication dans le Journal d'astrophysique .

En plus de voir cet avantage lorsqu'ils ont examiné la distribution des galaxies, les chercheurs en ont également vu des preuves sous la forme de couleurs de galaxies.

Lorsqu'une galaxie est pleine de gaz et qu'elle forme de nombreux gros, étoiles chaudes, la chaleur le fait apparaître bleu lorsque les scientifiques en prennent des images.

"Mais ces grandes stars ont une vie très courte, " dit Baxter. " Ils explosent. Ce qu'il te reste, ce sont ces plus petits, des étoiles plus âgées qui vivent longtemps, et ceux-là sont rouges."

Lorsque les scientifiques examinent les galaxies au sein des amas, ils apparaissent rouges parce qu'ils ne forment pas d'étoiles.

"Des études antérieures ont montré qu'il existe des interactions à l'intérieur de l'amas qui peuvent empêcher les galaxies de former des étoiles, " dit Baxter. " Vous pouvez imaginer par exemple qu'une galaxie tombe dans un amas, et le gaz de la galaxie est extrait par le gaz à l'intérieur de l'amas. Après avoir perdu son gaz, la galaxie sera incapable de former beaucoup d'étoiles."

À cause de ce, les scientifiques s'attendent à ce que les galaxies qui ont passé plus de temps en orbite autour d'un amas apparaissent en rouge, tandis que les galaxies qui commencent tout juste à tomber apparaîtront en bleu.

Les chercheurs ont remarqué un changement soudain dans les couleurs des galaxies juste à la frontière, leur fournissant plus de preuves que les halos de matière noire ont un avantage.

"C'était vraiment intéressant et surprenant de voir ce changement brutal de couleurs, " Jain a dit, "parce que le changement de couleurs des galaxies est un processus très lent et complexe."

Les chercheurs travaillent sur un autre article utilisant une étude plus approfondie de plus de cent millions de galaxies appelée Dark Energy Survey, ou DES.

Le SDSS et le DES créent tous deux des cartes massives du ciel à l'aide d'une énorme caméra qui, selon Jain, n'est pas très fondamentalement différente des caméras des smartphones, mais plus grande et plus précise et coûte des millions de dollars à construire.

Au DES, lorsque la caméra s'ouvre, il faut une exposition de quelques minutes, puis se déplace vers une autre partie du ciel. Ce processus est répété pendant plusieurs années en utilisant différents filtres pour permettre aux scientifiques d'obtenir une enquête en plusieurs couleurs.

Le DES permet aux chercheurs de faire des mesures étendues, pousser à des distances plus élevées.

Au lieu de mesurer la distribution des galaxies, les chercheurs utilisent un phénomène astrophysique appelé lentille gravitationnelle pour sonder les halos de matière noire. En lentille gravitationnelle, la lumière arrivant à un observateur se courbe lorsque la matière exerce une force gravitationnelle sur elle.

Les chercheurs peuvent analyser des images du ciel pour voir comment les amas étirent les images des galaxies derrière eux.

"La lumière va plier s'il y a de la masse, ", a déclaré Baxter. "En mesurant ces déflexions, nous pouvons mesurer la masse directement, ce qui est cool car la majeure partie de la masse est de la matière noire que nous ne pouvons pas voir, c'est donc une façon unique de sonder la matière noire."

En termes de compréhension fondamentale de l'univers, Baxter a dit, la matière noire est l'un des plus grands mystères qui existent actuellement.

"Tu regardes dans le ciel, même avec les plus grands télescopes optiques, et tu ne vois rien au-delà de la lumière des galaxies, " dit Jain. " Il y a juste cette matière noire. "

Les chercheurs espèrent que leurs recherches contribueront à une meilleure compréhension de la substance mystérieuse qui constitue environ 80 % de la matière de l'univers. S'ils peuvent marquer le bord d'un halo de matière noire, cela leur permettrait de tester des choses comme la théorie de la gravité d'Einstein et la nature de la matière noire.

"C'est juste une nouvelle façon de voir les clusters, " a déclaré Jain. " Une fois que vous avez trouvé la limite, vous pouvez étudier à la fois la physique standard de la façon dont les galaxies interagissent avec l'amas et la physique inconnue possible de la nature de la matière noire et de la gravité. "