Depuis «l'âge d'or de la relativité générale» dans les années 1960, les scientifiques ont soutenu qu'une grande partie de l'Univers est constituée d'une mystérieuse masse invisible connue sous le nom de «matière noire». Depuis lors, les scientifiques ont tenté de résoudre ce mystère avec une approche à deux volets. D'une part, les astrophysiciens ont tenté de trouver une particule candidate qui pourrait expliquer cette masse.
D'autre part, les astrophysiciens ont essayé de trouver une base théorique qui pourrait expliquer le comportement de Dark Matter. Jusqu'à présent, le débat s'est concentré sur la question de savoir s'il est «chaud» ou «froid», le froid bénéficiant d'un avantage en raison de sa relative simplicité. Cependant, une nouvelle étude menée par le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Ceci était basé sur des simulations cosmologiques de la formation de galaxies en utilisant un modèle d'univers qui comprenait de la matière noire interactive. Les simulations ont été menées par une équipe internationale de chercheurs du CfA, du Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du MIT, du Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam et de plusieurs universités. L'étude a récemment paru dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
En fin de compte, Dark Matter est correctement nommé. Pour commencer, il représente environ 84% de la masse de l'Univers mais n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière ou toute autre forme connue de rayonnement. Deuxièmement, il n'a pas de charge électromagnétique et n'interagit avec d'autres matières que par la gravité, la plus faible des quatre forces fondamentales.
Troisièmement, il n'est pas composé d'atomes ou de leurs blocs de construction habituels (c'est-à-dire des électrons, des protons et des neutrons), ce qui contribue à sa nature mystérieuse. En conséquence, les scientifiques théorisent qu'elle doit être constituée d'un nouveau type de matière qui est conforme aux lois de l'Univers mais qui n'apparaît pas dans la recherche conventionnelle en physique des particules.
Quelle que soit sa véritable nature, Dark Matter a eu une profonde influence sur l'évolution du cosmos depuis environ 1 milliard d'années après le Big Bang. En fait, on pense qu'il a joué un rôle clé dans tout, de la formation de galaxies à la distribution du rayonnement du fond cosmique micro-ondes (CMB).
De plus, les modèles cosmologiques qui prennent en compte le rôle joué par la matière noire sont étayés par des observations de ces deux types très différents de structures cosmiques. En outre, ils sont cohérents avec des paramètres cosmiques comme la vitesse à laquelle l'Univers se dilate, qui est elle-même influencée par une force mystérieuse et invisible (connue sous le nom d '«Énergie sombre»).
Actuellement, les modèles les plus largement acceptés de la matière noire présument qu'elle n'interagit pas avec d'autres types de matière ou de rayonnement (y compris elle-même) au-delà de l'influence de la gravité - c'est-à-dire qu'elle est «froide». C'est ce que l'on appelle le scénario Cold Dark Matter (CDM), qui est souvent combiné avec la théorie de l'énergie sombre (représentée par Lambda) sous la forme du modèle cosmologique LCDM.
Cette forme théorique de matière noire est également appelée
«[CDM] est le modèle le plus testé et le plus apprécié. C'est principalement parce qu'au cours des quatre dernières décennies environ, les gens ont travaillé dur pour faire des prédictions en utilisant la matière noire froide comme paradigme standard - ceux-ci sont ensuite comparés à des données réelles - avec la constatation que, en général, ce modèle est capable de reproduire un large éventail de phénomènes observés à travers une large gamme d'échelles. "
Comme il le décrit, le scénario de la matière noire froide est devenu le chef de file après que des simulations numériques de l'évolution cosmique aient été effectuées à l'aide de la «matière noire chaude» - dans ce cas, le neutrino. Ce sont des particules subatomiques qui sont très similaires à un
Ces simulations ont montré que les distributions prévues ne ressemblaient en rien à l'univers d'aujourd'hui », a ajouté Bose. «Pour cette raison, la limite opposée a commencé à être considérée, des particules qui ont à peine n'importe quelle vitesse à leur naissance (aka.« Froid »). Les simulations qui comprenaient ce candidat correspondaient beaucoup plus étroitement aux observations modernes de l'Univers.
«Après avoir effectué les mêmes tests de regroupement de galaxies qu'avant, les astronomes ont trouvé un accord surprenant entre les univers simulés et observés. Au cours des décennies suivantes, la particule froide a été testée à travers des tests plus rigoureux et non triviaux que le simple regroupement de galaxies, et elle a généralement réussi chacune d'elles avec brio. »
Une autre source d'attrait est le fait que la matière noire froide (au moins théoriquement) doit être détectable directement ou indirectement. Cependant, c'est là que le CDM rencontre des problèmes car toutes les tentatives de détection d'une seule particule ont échoué jusqu'à présent. En tant que tels, les cosmologistes ont pris en considération d'autres candidats possibles qui auraient des niveaux d'interaction encore plus petits avec d'autres matières.
C'est ce que Sownak Bose, astronome du CfA, a cherché à déterminer avec son équipe de chercheurs. Pour les besoins de leur étude, ils se sont concentrés sur un candidat «chaleureux» de Dark Matter. Ce type de particule aurait la capacité d'interagir subtilement avec des particules très légères qui se rapprochent de la vitesse de la lumière, quoique moins que la variété «chaude» plus interactive.
En particulier, il pourrait être capable d'interagir avec les neutrinos, l'ancien précurseur du scénario HDM. Les neutrinos sont soupçonnés d'avoir été très répandus au début de l'Univers chaud, de sorte que la présence de matière noire en interaction aurait eu une forte influence.
"Dans cette classe de modèles, la particule de matière noire est autorisée à avoir une interaction finie (mais faible) avec une espèce radiative comme les photons ou les neutrinos", a déclaré le Dr Bose. "Ce couplage laisse une empreinte assez unique dans la" grosseur "de l'Univers aux premiers temps, ce qui est très différent de ce à quoi on pourrait s'attendre si la matière noire était une particule froide."
Pour tester cela, l'équipe a effectué des simulations cosmologiques de pointe dans les installations de superordinateurs de Harvard et de l'Université d'Islande. Ces simulations ont examiné comment la formation de galaxies serait affectée par la présence de matière chaude et de matière noire d'environ 1 milliard après le Big Bang à 14 milliards d'années (à peu près le présent). Le Dr Bose a indiqué:
«[N] ous avons effectué des simulations informatiques pour générer des réalisations de ce à quoi pourrait ressembler cet univers après 14 milliards d'années d'évolution. En plus de modéliser le composant Dark Matter, nous avons également inclus des prescriptions de pointe pour la formation des étoiles, les effets des supernovae et des trous noirs, la formation de métaux etc.”
L'équipe a ensuite comparé les résultats les uns aux autres pour identifier les signatures caractéristiques qui les distingueraient les unes des autres. Ce qu'ils ont découvert, c'est que pour de nombreuses simulations, les effets de cette matière noire interactive étaient trop faibles pour être perceptibles. Cependant, ils étaient présents de différentes manières, en particulier dans la façon dont les galaxies lointaines sont réparties dans l'espace.
Cette observation est particulièrement intéressante car elle pourra être testée à l'avenir à l'aide d'instruments de nouvelle génération. "La façon de le faire est de cartographier la grosseur de l'Univers à ces premiers temps en examinant la distribution de l'hydrogène gazeux", a expliqué le Dr Bose. "Observationnellement, il s'agit d'une technique bien établie: nous pouvons sonder l'hydrogène neutre dans le premier univers en observant les spectres de galaxies éloignées (généralement des quasars)."
En bref, la lumière qui nous parvient de galaxies éloignées doit traverser le milieu intergalactique. S'il y a beaucoup d'hydrogène neutre dans le milieu intermédiaire, les raies d'émission de la galaxie seront partiellement absorbées, alors qu'elles ne seront pas gênées s'il y en a peu. Si Dark Matter est vraiment froid, il apparaîtra sous la forme d'une distribution beaucoup plus "grumeleuse" de l'hydrogène gazeux, alors qu'un scénario WDM entraînera des grumeaux oscillants.
Actuellement, les instruments astronomiques n'ont pas la résolution nécessaire pour mesurer les oscillations de l'hydrogène gazeux dans l'Univers primitif. Mais comme l'a indiqué le Dr Bose, cette recherche pourrait donner une impulsion à de nouvelles expériences et à de nouvelles installations qui seraient capables de faire ces observations.
Par exemple, un instrument IR comme le Télescope spatial James Webb (JWST) pourrait être utilisé pour créer de nouvelles cartes de la distribution de l'absorption d'hydrogène gazeux. Ces cartes pourraient soit confirmer l'influence de la matière noire interactive, soit l'exclure en tant que candidat. On espère également que cette recherche incitera les gens à penser à des candidats au-delà de ceux qui ont déjà été considérés.
En fin de compte, a déclaré le Dr Bose, la vraie valeur vient du fait que ce type de prédictions théoriques peut pousser les observations vers de nouvelles frontières et tester les limites de ce que nous pensons savoir. "Et c'est tout ce que la science est vraiment", a-t-il ajouté, "faire une prédiction, proposer une méthode pour la tester, effectuer l'expérience et ensuite contraindre / exclure la théorie!"
