Des chercheurs dirigés par l'Université de Tsukuba conçoivent une nouvelle approche pour montrer comment les neutrinos fantômes ont contribué à façonner l'univers. Crédit :Université de Tsukuba
Les simulations informatiques ont eu du mal à saisir l'impact de particules insaisissables appelées neutrinos sur la formation et la croissance de la structure à grande échelle de l'univers. Mais maintenant, une équipe de recherche du Japon a développé une méthode qui surmonte cet obstacle.
Dans une étude publiée ce mois-ci dans le Journal d'astrophysique , des chercheurs dirigés par l'Université de Tsukuba présentent des simulations qui décrivent avec précision le rôle des neutrinos dans l'évolution de l'univers.
Pourquoi ces simulations sont-elles importantes ? L'une des principales raisons est qu'ils peuvent définir des contraintes sur une quantité actuellement inconnue :la masse du neutrino. Si cette quantité est définie sur une valeur particulière dans les simulations et que les résultats de simulation diffèrent des observations, cette valeur peut être exclue. Cependant, les contraintes ne sont fiables que si les simulations sont exactes, ce qui n'était pas garanti dans les travaux antérieurs. L'équipe à l'origine de cette dernière recherche visait à remédier à cette limitation.
"Les simulations précédentes utilisaient certaines approximations qui pourraient ne pas être valides, " déclare l'auteur principal de l'étude, le conférencier Kohji Yoshikawa. " Dans notre travail, nous avons évité ces approximations en employant une technique qui représente avec précision la fonction de distribution de la vitesse des neutrinos et suit son évolution dans le temps."
Pour faire ça, l'équipe de recherche a résolu directement un système d'équations connu sous le nom d'équations de Vlasov-Poisson, qui décrivent comment les particules se déplacent dans l'univers. Ils ont ensuite effectué des simulations pour différentes valeurs de la masse des neutrinos et examiné de manière systémique les effets des neutrinos sur la structure à grande échelle de l'univers.
Distribution de la densité des neutrinos (à gauche) et de la matière noire (à droite) dans la structure cosmique à grande échelle. Alors que les neutrinos se déplacent rapidement et semblent diffus, la distribution de la matière noire compose des toiles cosmiques telles que la structure filamenteuse. Crédit :Université de Tsukuba
Les résultats de la simulation montrent, par exemple, que les neutrinos suppriment le regroupement de la matière noire – la masse « manquante » dans l'univers – et à son tour les galaxies. Ils montrent également que les régions riches en neutrinos sont fortement corrélées avec les amas de galaxies massifs et que la température effective des neutrinos varie considérablement en fonction de la masse des neutrinos.
"Globalement, nos résultats suggèrent que les neutrinos affectent considérablement la formation de la structure à grande échelle, et que nos simulations rendent compte avec précision de l'effet important des neutrinos, " explique le conférencier Yoshikawa. " Il est également rassurant que nos nouveaux résultats soient cohérents avec ceux d'approches de simulation totalement différentes. "
La simulation Vlasov-Poisson des chercheurs (à gauche) prédit une distribution de densité des neutrinos plus lisse et moins bruyante par rapport à une simulation traditionnelle de particules à N corps de l'interaction gravitationnelle newtonienne (à droite). Crédit :Université de Tsukuba
Ce travail représente une étape importante dans la simulation de l'univers et ouvre la voie à une exploration plus approfondie de la façon dont les neutrinos influencent la formation et la croissance de la structure à grande échelle. Par exemple, la nouvelle approche de simulation pourrait être utilisée pour étudier la dynamique des neutrinos et des types non conventionnels de matière noire. Finalement, elle pourrait conduire à une détermination de la masse des neutrinos.
