Une représentation de l'hydrogène gazeux dans le milieu intergalactique, ou IGM, avec des zones lumineuses indiquant une densité de gaz élevée. Crédit :Vid Iršič
La matière noire est la matière invisible qui porte bien son nom et qui constitue la majeure partie de la matière dans notre univers. Mais de quoi est faite la matière noire est un sujet de débat.
Les scientifiques n'ont jamais détecté directement de matière noire. Mais au fil des décennies, ils ont proposé une variété de théories sur le type de matériau, des nouvelles particules aux trous noirs primordiaux, qui pourraient comprendre la matière noire et expliquer ses nombreux effets sur la matière normale. Dans un article publié le 20 juillet dans la revue Lettres d'examen physique , une équipe internationale de cosmologistes utilise les données du milieu intergalactique - le vaste, espace largement vide entre les galaxies - pour affiner ce que pourrait être la matière noire.
Les découvertes de l'équipe jettent le doute sur une théorie relativement nouvelle appelée « matière noire floue, " et à la place prêter foi à un modèle différent appelé " matière noire froide. " Leurs résultats pourraient éclairer les efforts en cours pour détecter directement la matière noire, surtout si les chercheurs ont une idée claire des types de propriétés qu'ils devraient rechercher.
"Depuis des décennies, les physiciens théoriciens ont essayé de comprendre les propriétés des particules et des forces qui doivent composer la matière noire, " a déclaré l'auteur principal Vid Iršič, chercheur postdoctoral au Département d'astronomie de l'Université de Washington. "Ce que nous avons fait, c'est imposer des contraintes sur ce que pourrait être la matière noire - et 'la matière noire floue, ' si cela devait constituer toute la matière noire, n'est pas conforme à nos données."
Les scientifiques avaient élaboré les théories de la matière noire "floue" et "froide" pour expliquer les effets que la matière noire semble avoir sur les galaxies et le milieu intergalactique entre elles.
La matière noire froide est la plus ancienne de ces deux théories, datant des années 1980, et est actuellement le modèle standard pour la matière noire. Il postule que la matière noire est constituée d'une masse relativement massive, type de particule à mouvement lent avec des propriétés « d'interaction faible ». Il aide à expliquer l'unique, structure à grande échelle de l'univers, comme la raison pour laquelle les galaxies ont tendance à se regrouper en groupes plus importants.
Mais la théorie de la matière noire froide présente également des inconvénients et des incohérences. Par exemple, il prédit que notre propre galaxie de la Voie lactée devrait avoir des centaines de galaxies satellites à proximité. Au lieu, nous n'avons que quelques dizaines de petits, voisins proches.
Ces images illustrent l'absorption de la lumière par l'hydrogène gazeux dans l'IGM, avec des zones lumineuses indiquant une densité de gaz élevée. Les courbes montrent également l'absorption d'hydrogène. À gauche, une simulation basée sur le modèle standard de matière noire froide. A droite, une simulation basée sur la matière noire floue. La courbe de gauche est plus cohérente avec les données analysées par Iršič et collègues. Crédit :Vid Iršič
La nouvelle théorie de la matière noire floue a abordé les lacunes du modèle de la matière noire froide. Selon cette théorie, la matière noire est constituée d'une particule ultralégère, plutôt qu'un lourd, et a également une caractéristique unique liée à la mécanique quantique. Pour de nombreuses particules fondamentales de notre univers, leurs déplacements à grande échelle - distances parcourues en mètres, miles et au-delà - peut être expliqué en utilisant les principes de la physique newtonienne "classique". Expliquer les mouvements à petite échelle, comme au niveau subatomique, requiert les principes complexes et souvent contradictoires de la mécanique quantique. Mais pour la particule ultralégère prédite dans la théorie de la matière noire floue, les mouvements à des échelles incroyablement grandes, comme d'un bout à l'autre d'une galaxie, nécessitent également la mécanique quantique.
Avec ces deux théories de la matière noire à l'esprit, Iršič et ses collègues ont entrepris de modéliser les propriétés hypothétiques de la matière noire sur la base d'observations relativement nouvelles du milieu intergalactique, ou IGM. L'IGM se compose en grande partie de matière noire, quelle qu'elle soit, ainsi que d'hydrogène gazeux et d'une petite quantité d'hélium. L'hydrogène contenu dans l'IGM absorbe la lumière émise à distance, objets lumineux, et les astronomes ont étudié cette absorption pendant des décennies à l'aide d'instruments terrestres.
L'équipe a examiné comment l'IGM interagissait avec la lumière émise par les quasars, qui sont éloignés, massif, objets ressemblant à des étoiles. Un ensemble de données provenait d'une étude de 100 quasars par l'Observatoire européen austral au Chili. L'équipe a également inclus des observations de 25 quasars par l'Observatoire de Las Campanas au Chili et le W.M. Observatoire Keck à Hawaï.
À l'aide d'un supercalculateur de l'Université de Cambridge, Iršič et ses co-auteurs ont simulé l'IGM et calculé quel type de particule de matière noire serait cohérent avec les données du quasar. Ils ont découvert qu'une particule typique prédite par la théorie de la matière noire floue est tout simplement trop légère pour tenir compte des modèles d'absorption d'hydrogène dans l'IGM. Une particule plus lourde, similaire aux prédictions de la théorie traditionnelle de la matière noire froide, est plus cohérente avec leurs simulations.
"La masse de cette particule doit être plus grande que ce que les gens avaient initialement prévu, basé sur les solutions floues de la matière noire pour les problèmes entourant notre galaxie et d'autres, " a déclaré Iršič.
Une particule ultralégère "floue" pourrait encore exister. Mais il ne peut pas expliquer pourquoi les amas galactiques se forment, ou d'autres questions comme la rareté des galaxies satellites autour de la Voie lactée, dit Iršič. Une particule "froide" plus lourde reste cohérente avec les observations astronomiques et les simulations de l'IGM, il ajouta.
Les résultats de l'équipe ne traitent pas tous les inconvénients de longue date du modèle de la matière noire froide. Mais Iršič pense qu'une exploration plus poussée des données de l'IGM peut aider à résoudre le ou les types de particules qui composent la matière noire. En outre, certains scientifiques pensent qu'il n'y a pas de problèmes avec la théorie de la matière noire froide. Au lieu, les scientifiques peuvent tout simplement ne pas comprendre les forces complexes à l'œuvre dans l'IGM, Iršič ajouté.
"Dans les deux cas, l'IGM reste un terrain riche pour comprendre la matière noire, " a déclaré Iršič.
Les co-auteurs de l'article sont Matteo Viel de l'International School for Advanced Studies en Italie, l'Observatoire astronomique de Trieste et l'Institut national de physique nucléaire en Italie; Martin Haehnelt de l'Université de Cambridge; James Bolton de l'Université de Nottingham; et George Becker de l'Université de Californie, Bord de rivière. Le travail a été financé par la National Science Foundation, l'Institut national de physique nucléaire en Italie, le Conseil européen de la recherche, l'Institut national d'astrophysique en Italie, la Royal Society au Royaume-Uni et la Kavli Foundation.
