Les astronomes ont utilisé les données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA pour étudier les propriétés de la matière noire, le mystérieux, substance invisible qui constitue la majorité de la matière dans l'univers. L'étude, qui implique 13 amas de galaxies, explore la possibilité que la matière noire soit plus "floue" que "froide, " peut-être même en ajoutant à la complexité entourant cette énigme cosmique.

Depuis plusieurs décennies, les astronomes connaissent la matière noire. Bien qu'il ne puisse pas être observé directement, la matière noire interagit via la gravité avec la normale, matière rayonnante (c'est-à-dire tout ce qui est composé de protons, neutrons, et électrons regroupés en atomes). En capitalisant sur cette interaction, les astronomes ont étudié les effets de la matière noire en utilisant diverses techniques, y compris les observations du mouvement des étoiles dans les galaxies, le mouvement des galaxies dans les amas de galaxies, et la distribution des gaz chauds émettant des rayons X dans les amas de galaxies. La matière noire a également laissé une empreinte sur le rayonnement laissé par le Big Bang il y a 13,8 milliards d'années.

Cependant, Les astronomes luttent depuis des décennies pour comprendre les propriétés détaillées de la matière noire. En d'autres termes, ils aimeraient savoir comment la matière noire se comporte dans tous les environnements, et, finalement, de quoi il est fait.

Le modèle le plus populaire suppose que la matière noire est une particule plus massive qu'un proton qui est "froid", ce qui signifie qu'il se déplace à des vitesses beaucoup plus petites que la vitesse de la lumière. Ce modèle a réussi à expliquer la structure de l'univers à très grande échelle, beaucoup plus gros que les galaxies, mais il a du mal à expliquer comment la matière est distribuée aux plus petites échelles des galaxies.

Par exemple, le modèle de matière noire froide prédit que la densité de matière noire au centre des galaxies est beaucoup plus élevée que dans les régions environnantes proches du centre. Parce que la matière normale est attirée par la matière noire, il devrait également avoir un fort pic de densité au centre des galaxies. Cependant, les astronomes observent que la densité de la matière noire et normale au centre des galaxies est beaucoup plus uniformément répartie. Un autre problème avec le modèle de matière noire froide est qu'il prédit un nombre beaucoup plus élevé de petites galaxies en orbite autour de galaxies comme la Voie lactée que ce que les astronomes voient réellement.

Pour résoudre ces problèmes avec le modèle de la matière noire froide, les astronomes ont proposé des modèles alternatifs où la matière noire a des propriétés très différentes. L'un de ces modèles tire parti du principe de la mécanique quantique selon lequel chaque particule subatomique est associée à une onde. Si la particule de matière noire a une masse extrêmement faible, environ dix mille milliards de milliards de fois plus petit que la masse d'un électron, sa longueur d'onde correspondante sera d'environ 3, 000 années-lumière. Cette distance d'un sommet de l'onde à un autre est d'environ un huitième de la distance entre la Terre et le centre de la Voie lactée. Par contre, la plus longue longueur d'onde de la lumière, une onde radio, n'a que quelques kilomètres de long.

Les vagues de différentes particules sur ces grandes échelles peuvent se chevaucher et interférer les unes avec les autres comme les vagues sur un étang, agissant comme un système quantique à l'échelle galactique plutôt qu'atomique.

La grande longueur d'onde de l'onde des particules signifie que la densité de matière noire au centre des galaxies ne peut pas être fortement culminée. Par conséquent, pour un observateur en dehors d'une galaxie, ces particules apparaîtraient floues si elles pouvaient être détectées directement, ce modèle a donc été appelé "matière noire floue". Parce que la matière normale est attirée par la matière noire, elle sera également étalée sur de grandes échelles. Ceci expliquerait naturellement l'absence d'un pic fort de densité de matière au centre des galaxies.

Ce modèle simple a réussi à expliquer la quantité et l'emplacement de la matière noire dans les petites galaxies. Pour les galaxies plus grandes, un modèle plus compliqué de matière noire floue a été nécessaire. Dans ce modèle, des concentrations massives de matière noire peuvent conduire à de multiples états quantiques (appelés « états excités »), dans lequel les particules de matière noire peuvent avoir différentes quantités d'énergie, semblable à un atome avec des électrons sur des orbites d'énergie plus élevée. Ces états excités modifient la façon dont la densité de la matière noire varie avec la distance par rapport au centre de l'amas de galaxies.

Dans une nouvelle étude, une équipe de scientifiques a utilisé les observations de Chandra du gaz chaud dans 13 amas de galaxies pour voir si le modèle de matière noire floue fonctionne à des échelles plus grandes que celle des galaxies. Ils ont utilisé les données de Chandra pour estimer à la fois la quantité de matière noire dans chaque amas et la façon dont la densité de cette matière varie en fonction de la distance par rapport au centre de l'amas de galaxies.

Le graphique montre quatre des 13 amas de galaxies utilisés dans l'étude. Les grappes sont, en partant du haut à gauche et dans le sens des aiguilles d'une montre, Abell 262, Abell 383, Abell 1413, et Abell 2390. Dans chacune de ces images, Les données radiographiques de Chandra sont roses, tandis que les données optiques sont rouges, vert, et bleu.

Comme pour les études sur les galaxies, le modèle le plus simple de matière noire floue - où toutes les particules ont la plus faible énergie possible - n'était pas d'accord avec les données. Cependant, ils ont découvert que le modèle où les particules avaient différentes quantités d'énergie - les "états excités - était en bon accord avec les données. En fait, le modèle de matière noire floue peut correspondre aux observations de ces 13 amas de galaxies aussi bien voire mieux qu'un modèle basé sur la matière noire froide.

Ce résultat montre que le modèle de matière noire floue peut être une alternative viable à la matière noire froide, mais des travaux supplémentaires sont nécessaires pour tester cette possibilité. Un effet important des états excités est de donner des ondulations, ou oscillatoires, dans la densité de matière noire en fonction de la distance du centre de l'amas. Cela produirait des ondulations dans la densité de la matière normale. L'ampleur attendue de ces ondulations est inférieure aux incertitudes actuelles des données. Une étude plus détaillée est nécessaire pour tester cette prédiction du modèle.

Un article décrivant ces résultats a été récemment accepté pour publication dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society et est disponible en ligne. Les auteurs sont Tula Bernal (Institut national polytechnique, Mexico), Victor Robles (Université de Californie, Irvine), et Tonatiuh Matos (Institut national polytechnique).