La matière noire était probablement l'ingrédient de départ pour brasser les toutes premières galaxies de l'univers. Peu de temps après le Big Bang, des particules de matière noire se seraient agglutinées dans des « halos gravitationnels, " tirant le gaz environnant dans leurs noyaux, qui au fil du temps s'est refroidi et s'est condensé dans les premières galaxies.

Bien que la matière noire soit considérée comme l'épine dorsale de la structure de l'univers, les scientifiques en savent très peu sur sa nature, car les particules ont jusqu'à présent échappé à la détection.

Aujourd'hui, des scientifiques du MIT, Université de Princeton, et l'Université de Cambridge ont découvert que l'univers primitif, et les toutes premières galaxies, aurait été très différent selon la nature de la matière noire. Pour la première fois, l'équipe a simulé à quoi aurait ressemblé la formation précoce des galaxies si la matière noire était "floue, " plutôt que froid ou chaud.

Dans le scénario le plus largement accepté, la matière noire est froide, composé de particules lentes qui, outre les effets gravitationnels, n'ont aucune interaction avec la matière ordinaire. La matière noire chaude est considérée comme une version légèrement plus légère et plus rapide de la matière noire froide. Et de la matière noire floue, un concept relativement nouveau, est quelque chose de complètement différent, constitué de particules ultralégères, chacun environ 1 octillionième (10 ^-27 ) la masse d'un électron (une particule de matière noire froide est beaucoup plus lourde, environ 105 fois plus massive qu'un électron).

Dans leurs simulations, les chercheurs ont découvert que si la matière noire est froide, alors les galaxies de l'univers primitif se seraient formées dans des halos presque sphériques. Mais si la nature de la matière noire est floue ou chaude, l'univers primitif aurait été très différent, avec des galaxies se formant d'abord en étendue, filaments en forme de queue. Dans un univers flou, ces filaments auraient paru striés, comme des cordes éclairées par des étoiles sur une harpe.

Alors que de nouveaux télescopes sont en ligne, avec la capacité de voir plus loin dans l'univers primitif, les scientifiques peuvent en déduire, du modèle de formation des galaxies, si la nature de la matière noire, qui représente aujourd'hui près de 85 % de la matière de l'univers, est floue par opposition à froid ou chaud.

"Les premières galaxies de l'univers primitif pourraient éclairer le type de matière noire que nous avons aujourd'hui, " dit Mark Vogelsberger, professeur agrégé de physique à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "Soit nous voyons ce motif de filament, et la matière noire floue est plausible, ou nous ne le faisons pas, et nous pouvons exclure ce modèle. Nous avons maintenant un plan pour le faire. »

Vogelsberger est co-auteur d'un article paru dans Lettres d'examen physique , avec l'auteur principal de l'article, Philip Mocz de l'Université de Princeton, et Anastasia Fialkov de l'Université de Cambridge et auparavant de l'Université du Sussex.

Ondes floues

Alors que la matière noire n'a pas encore été détectée directement, l'hypothèse qui décrit la matière noire comme froide s'est avérée efficace pour décrire la structure à grande échelle de l'univers observable. Par conséquent, les modèles de formation des galaxies sont basés sur l'hypothèse que la matière noire est froide.

"Le problème est, il existe des divergences entre les observations et les prédictions de la matière noire froide, " fait remarquer Vogelsberger. " Par exemple, si vous regardez de très petites galaxies, la distribution inférée de la matière noire au sein de ces galaxies ne correspond pas parfaitement à ce que prédisent les modèles théoriques. Il y a donc des tensions là-bas."

Entrer, alors, théories alternatives pour la matière noire, y compris chaud, et flou, que les chercheurs ont proposé ces dernières années.

"La nature de la matière noire est encore un mystère, " dit Fialkov. " La matière noire floue est motivée par la physique fondamentale, par exemple, théorie des cordes, et est donc un candidat intéressant pour la matière noire. Les structures cosmiques détiennent la clé pour valider ou exclure de tels modèles de matière noire."

La matière noire floue est constituée de particules si légères qu'elles agissent de manière quantique, mode ondulatoire, plutôt que comme des particules individuelles. Ce quantum, nature floue, Mocz dit, aurait pu produire des galaxies précoces qui semblent totalement différentes de ce que les modèles standard prédisent pour la matière noire froide.

"Même si dans l'univers tardif, ces différents scénarios de matière noire peuvent prédire des formes similaires pour les galaxies, les premières galaxies seraient étonnamment différentes, qui nous donnera un indice sur ce qu'est la matière noire, ", dit Mocz.

Pour voir à quel point un univers primitif froid et flou pourrait être différent, les chercheurs ont simulé un petit, espace cubique de l'univers primitif, mesurant environ 3 millions d'années-lumière de diamètre, et l'a fait avancer dans le temps pour voir comment les galaxies se formeraient étant donné l'un des trois scénarios de matière noire :froid, chaleureux, et flou.

L'équipe a commencé chaque simulation en supposant une certaine distribution de matière noire, dont les scientifiques ont une idée, sur la base des mesures du fond diffus cosmologique - "rayonnement relique" qui a été émis par, et n'a été détecté que 400, 000 ans après, le Big Bang.

"La matière noire n'a pas une densité constante, même en ces temps anciens, " dit Vogelsberger. " Il y a de minuscules perturbations au-dessus d'un champ de densité constante. "

Les chercheurs ont pu utiliser des algorithmes existants pour simuler la formation de galaxies dans des scénarios de matière noire froide et chaude. Mais pour simuler la matière noire floue, avec sa nature quantique, ils avaient besoin d'une nouvelle approche.

Une carte des cordes de harpe

Les chercheurs ont modifié leur simulation de matière noire froide, lui permettant de résoudre deux équations supplémentaires afin de simuler la formation de galaxies dans un univers flou de matière noire. La première, l'équation de Schrödinger, décrit comment une particule quantique agit comme une onde, tandis que la seconde, équation de Poisson, décrit comment cette onde génère un champ de densité, ou la distribution de la matière noire, et comment cette distribution conduit à la gravité, la force qui finit par attirer la matière pour former des galaxies. Ils ont ensuite couplé cette simulation à un modèle qui décrit le comportement du gaz dans l'univers, et la façon dont il se condense en galaxies en réponse aux effets gravitationnels.

Dans les trois scénarios, les galaxies se sont formées partout où il y avait des sur-densités, ou de grandes concentrations de matière noire effondrée par gravité. Le motif de cette matière noire, cependant, était différent, selon qu'il faisait froid, chaleureux, ou floue.

Dans un scénario de matière noire froide, galaxies formées dans des halos sphériques, ainsi que des sous-halos plus petits. La matière noire chaude a produit les premières galaxies dans des filaments en forme de queue, et pas de sous-halos. Cela peut être dû au briquet chaud de la matière noire, nature plus rapide, rendant les particules moins susceptibles de rester plus petites, amas subhalo.

Semblable à la matière noire chaude, la matière noire floue a formé des étoiles le long des filaments. Mais ensuite, les effets des ondes quantiques ont pris le relais dans la formation des galaxies, qui formaient des filaments plus striés, comme les cordes d'une harpe invisible. Vogelsberger dit que ce motif strié est dû à des interférences, un effet qui se produit lorsque deux vagues se chevauchent. Lorsque cela se produit, par exemple dans les vagues de lumière, les points où s'alignent les crêtes et les creux de chaque vague forment des taches plus sombres, créant un motif alterné de régions claires et sombres.

Dans le cas de la matière noire floue, au lieu de points clairs et sombres, il génère une alternance de concentrations surdenses et sous-denses de matière noire.

"Vous auriez beaucoup d'attraction gravitationnelle à ces sur-densités, et le gaz suivrait, et à un moment donné formerait des galaxies le long de ces sur-densités, et non les sous-densités, " explique Vogelsberger. " Cette image serait reproduite dans tout l'univers primitif. "

L'équipe développe des prédictions plus détaillées de ce à quoi les premières galaxies auraient pu ressembler dans un univers dominé par la matière noire floue. Leur objectif est de fournir une carte pour les télescopes à venir, comme le télescope spatial James Webb, qui peut être capable de remonter assez loin dans le temps pour repérer les premières galaxies. S'ils voient des galaxies filamenteuses comme celles simulées par Mocz, Fialkov, Vogelsberger, et leurs collègues, cela pourrait être les premiers signes que la nature de la matière noire est floue.

"C'est ce test d'observation que nous pouvons fournir pour la nature de la matière noire, sur la base d'observations de l'univers primitif, qui deviendra réalisable dans les prochaines années, " dit Vogelsberger.