Les jumeaux identiques se ressemblent à bien des égards, mais ils ont des expériences différentes, copains, et modes de vie.

Ce concept est joué à l'échelle cosmologique par les galaxies. Deux galaxies qui semblent à première vue très similaires et effectivement identiques peuvent avoir des régions internes tournant à des vitesses très différentes - l'analogue galactique de jumeaux avec des modes de vie différents.

Une équipe de physiciens, dirigé par Hai-Bo Yu de l'Université de Californie, Bord de rivière, a trouvé une explication simple et viable à cette diversité.

Chaque galaxie se trouve dans un halo de matière noire qui forme l'échafaudage gravitationnel qui la maintient ensemble. La répartition de la matière noire dans ce halo peut être déduite du mouvement des étoiles et des particules de gaz dans la galaxie.

Yu et ses collègues rapportent dans Lettres d'examen physique que diverses courbes de rotation galactique, un graphique des vitesses de rotation à différentes distances du centre, peut s'expliquer naturellement si les particules de matière noire sont supposées entrer fortement en collision les unes avec les autres dans le halo interne, près du centre de la galaxie - un processus appelé auto-interaction de la matière noire.

« Dans la théorie dominante de la matière noire, appelé Cold Dark Matter ou CDM, les particules de matière noire sont supposées être sans collision, en dehors de la gravité, " dit Yu, professeur assistant de physique théorique des particules et d'astrophysique, qui a dirigé la recherche. "Nous invoquons une théorie différente, le modèle de la matière noire à interaction automatique ou SIDM, montrer que les auto-interactions de la matière noire thermalisent le halo interne, qui lie les distributions de matière ordinaire et de matière noire ensemble de sorte qu'elles se comportent comme une unité collective. Le halo de matière noire à interaction automatique devient alors suffisamment flexible pour s'adapter aux diverses courbes de rotation observées."

Yu a expliqué que les collisions de matière noire ont lieu dans le halo intérieur dense, où se trouve la galaxie lumineuse. Lorsque les particules entrent en collision, ils échangent de l'énergie et se thermalisent. Pour les galaxies peu lumineuses, le processus de thermalisation chauffe les particules internes de matière noire et les pousse hors de la région centrale, réduire la densité, analogue à une machine à pop-corn dans laquelle les grains se heurtent au fur et à mesure qu'ils éclatent, les faisant voler du bas de la machine. Pour les galaxies très lumineuses comme la Voie lactée, la thermalisation tire les particules dans le puits de potentiel profond de la matière lumineuse et augmente la densité de la matière noire. En outre, l'histoire de l'assemblage cosmologique des halos joue également un rôle dans la génération de la diversité observée.

"Notre travail démontre que la matière noire peut avoir de fortes interactions avec elle-même, une déviation radicale de la théorie dominante, " dit Yu. " Cela explique bien la diversité observée des courbes tournantes galactiques, tout en étant cohérent avec d'autres observations cosmologiques."

La matière noire représente environ 85 % de la matière de l'univers, mais sa nature reste largement inconnue malgré son empreinte gravitationnelle indubitable sur les observations astronomiques et cosmologiques. La façon conventionnelle d'étudier la matière noire est de supposer qu'elle a des éléments supplémentaires, interaction non gravitationnelle avec la matière visible qui peut être étudiée en laboratoire. Les physiciens ne savent pas, cependant, si une telle interaction entre la matière noire et la matière visible existe même.

Au cours de la dernière décennie, Yu a été le pionnier d'une nouvelle ligne de recherche basée sur la prémisse suivante :mettre de côté si la matière noire interagit avec la matière visible, que se passe-t-il si la matière noire interagit avec elle-même à travers une nouvelle force noire ?

Yu a postulé que la nouvelle force noire affecterait la distribution de la matière noire dans le halo de chaque galaxie. Il s'est rendu compte qu'il existe effectivement un écart entre le MDP et les observations astronomiques qui pourrait être résolu si la matière noire interagissait elle-même.

« La compatibilité de cette hypothèse avec les observations est une avancée majeure dans le domaine, " a déclaré Flip Tanedo, professeur adjoint de physique théorique des particules à l'UC Riverside, qui n'a pas participé à la recherche. "Le paradigme SIDM est un pont entre la physique fondamentale des particules et l'astronomie observationnelle. La cohérence avec les observations est un indice important que cette proposition a une chance d'être correcte et jette les bases de futures observations, expérimental, numérique, et travaux théoriques. De cette façon, il ouvre la voie à de nouvelles recherches interdisciplinaires.

Le SIDM a été proposé pour la première fois en 2000 par deux éminents astrophysiciens. Il a connu un renouveau dans la communauté de la physique des particules vers 2009, aidé en partie par le travail clé de Yu et de ses collaborateurs.

"C'est un moment particulier pour ce type de recherche car les simulations numériques des galaxies approchent enfin d'une précision où elles peuvent faire des prédictions concrètes pour comparer les prédictions observationnelles des scénarios d'auto-interaction par rapport à la matière noire froide, " dit Tanedo. " De cette façon, Hai-Bo est l'architecte de la matière noire moderne à interaction automatique et de la façon dont elle fusionne plusieurs domaines différents :physique théorique des hautes énergies, physique expérimentale des hautes énergies, astronomie d'observation, simulations numériques d'astrophysique, et la cosmologie de l'univers primitif et la formation des galaxies."

Le document de recherche est inclus par Lettres d'examen physique en tant que "Suggestion de l'éditeur" et également présenté dans APS Physics.