Une nouvelle carte de la matière noire dans l'univers local révèle plusieurs structures filamenteuses jusqu'alors inconnues reliant les galaxies. La carte, développé en utilisant l'apprentissage automatique par une équipe internationale comprenant un astrophysicien de Penn State, pourrait permettre des études sur la nature de la matière noire ainsi que sur l'histoire et l'avenir de notre univers local.

La matière noire est une substance insaisissable qui constitue 80% de l'univers. Il fournit également le squelette de ce que les cosmologues appellent la toile cosmique, la structure à grande échelle de l'univers qui, en raison de son influence gravitationnelle, dicte le mouvement des galaxies et d'autres matériaux cosmiques. Cependant, la distribution de la matière noire locale est actuellement inconnue car elle ne peut pas être mesurée directement. Les chercheurs doivent plutôt déduire sa distribution en fonction de son influence gravitationnelle sur d'autres objets de l'univers, comme les galaxies.

"Ironiquement, il est plus facile d'étudier la distribution de la matière noire beaucoup plus loin car elle reflète un passé très lointain, ce qui est beaucoup moins complexe, " a déclaré Donghui Jeong, professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et auteur correspondant de l'étude. "Heures supplémentaires, à mesure que la structure à grande échelle de l'univers s'est développée, la complexité de l'univers a augmenté, il est donc intrinsèquement plus difficile de faire des mesures sur la matière noire localement. »

Les tentatives précédentes pour cartographier la toile cosmique ont commencé avec un modèle de l'univers primitif, puis ont simulé l'évolution du modèle sur des milliards d'années. Cependant, cette méthode est gourmande en calculs et jusqu'à présent, n'a pas été en mesure de produire des résultats suffisamment détaillés pour voir l'univers local. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont adopté une approche complètement différente, utiliser l'apprentissage automatique pour construire un modèle qui utilise des informations sur la distribution et le mouvement des galaxies pour prédire la distribution de la matière noire.

Les chercheurs ont construit et entraîné leur modèle à l'aide d'un vaste ensemble de simulations de galaxies, appelé Illustris-TNG, qui comprend les galaxies, gaz, autre matière visible, ainsi que la matière noire. L'équipe a spécifiquement sélectionné des galaxies simulées comparables à celles de la Voie lactée et a finalement identifié les propriétés des galaxies nécessaires pour prédire la distribution de la matière noire.

« Lorsqu'on lui donne certaines informations, le modèle peut essentiellement combler les lacunes en fonction de ce qu'il a examiné auparavant, " a déclaré Jeong. " La carte de nos modèles ne correspond pas parfaitement aux données de simulation, mais on peut encore reconstituer des structures très détaillées. Nous avons découvert que l'inclusion du mouvement des galaxies – leurs vitesses radiales particulières – en plus de leur distribution améliorait considérablement la qualité de la carte et nous permettait de voir ces détails. »

L'équipe de recherche a ensuite appliqué son modèle à des données réelles de l'univers local du catalogue de galaxies Cosmicflow-3. Le catalogue contient des données complètes sur la distribution et le mouvement de plus de 17 000 galaxies à proximité de la Voie lactée, dans un rayon de 200 mégaparsecs. La carte résultante du web cosmique local est publiée dans un article paru en ligne le 26 mai dans le Journal d'astrophysique .

La carte reproduit successivement les structures importantes connues dans l'univers local, y compris la « feuille locale », une région de l'espace contenant la Voie lactée, galaxies proches dans le «groupe local, " et les galaxies de l'amas de la Vierge - et le " vide local " - une région de l'espace relativement vide à côté du groupe local. En outre, il a identifié plusieurs nouvelles structures qui nécessitent une enquête plus approfondie, y compris des structures filamenteuses plus petites qui relient les galaxies.

"Avoir une carte locale de la toile cosmique ouvre un nouveau chapitre de l'étude cosmologique, " a déclaré Jeong. "Nous pouvons étudier comment la distribution de la matière noire se rapporte à d'autres données d'émission, qui nous aidera à comprendre la nature de la matière noire. Et on peut étudier directement ces structures filamenteuses, ces ponts cachés entre les galaxies."

Par exemple, il a été suggéré que les galaxies de la Voie lactée et d'Andromède pourraient se rapprocher lentement l'une de l'autre, mais s'ils peuvent entrer en collision dans plusieurs milliards d'années reste incertain. L'étude des filaments de matière noire reliant les deux galaxies pourrait fournir des informations importantes sur leur avenir.

"Parce que la matière noire domine la dynamique de l'univers, il détermine fondamentalement notre destin, " a déclaré Jeong. " Nous pouvons donc demander à un ordinateur de faire évoluer la carte pendant des milliards d'années pour voir ce qui se passera dans l'univers local. Et nous pouvons faire évoluer le modèle dans le temps pour comprendre l'histoire de notre voisinage cosmique."

Les chercheurs pensent qu'ils peuvent améliorer la précision de leur carte en ajoutant plus de galaxies. Relevés astronomiques planifiés, par exemple en utilisant le télescope spatial James Web, pourrait leur permettre d'ajouter des galaxies faibles ou petites qui n'ont pas encore été observées et des galaxies plus éloignées.