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On ne sait pas si la matière noire existe. Alors pourquoi les astronomes continuent-ils à chercher ?

Les scientifiques en savent très peu sur la matière qui compose les galaxies de l’Univers. Environ 20% de la matière des galaxies est visible ou baryonique : particules subatomiques comme les protons, les neutrons et les électrons. Les 80 % restants, appelés « matière noire », restent mystérieux et invisibles.

En fait, il peut ne pas exister du tout. La « matière noire » n’est qu’une hypothèse. Les physiciens et les astronomes sont peut-être à la poursuite d’un fantôme, mais cela ne nous empêche pas de chercher. Pourquoi? Parce que si la matière noire n’est pas réelle, alors le comportement des étoiles, des planètes et des galaxies n’a guère de sens.

Aujourd’hui la matière noire – et sa cousine, l’énergie noire – sont les principaux piliers d’un modèle cosmologique appelé Lambda Cold Dark Matter, ou Lambda-CDM . Ce modèle souligne que la matière noire affecte la matière baryonique uniquement via la gravité. Il n’interagit pas avec la force électromagnétique, ce qui signifie qu’il n’absorbe, ne réfléchit ni n’émet de lumière.

Dans une étude récente, publiée dans Astronomy and Astrophysics , nous apportons des preuves supplémentaires à l’appui de l’existence de halos de matière noire autour des premières galaxies (lorsque l’Univers avait la moitié de son âge actuel). Nous remettons également en question certaines hypothèses à ce sujet. C’est une façon d’approfondir notre compréhension de l’Univers et de ses galaxies.

Origines de la théorie

Dans les années 1970, les astronomes Vera Rubin et Kent Ford ont dévoilé la théorie de la matière noire . Ils ne se contentaient pas de tirer dans le noir : il y avait depuis longtemps un débat sur les raisons pour lesquelles les étoiles, les planètes et les galaxies se comportaient de certaines manières. Par exemple, pourquoi les étoiles et les gaz ne sont-ils pas constamment projetés au loin dans l’espace ? Quelle sorte de colle maintient les galaxies intactes, exerçant un effet gravitationnel sur les particules baryoniques de tous les jours ?

Les scientifiques se sont également demandé pourquoi des objets bien au-delà du centre d’une galaxie orbitent à peu près aux mêmes vitesses (ou vitesses) que des objets plus proches du centre. Cela va à l’encontre de la loi de Newton , qui suggère que les étoiles et le gaz devraient ralentir à mesure qu’ils s’éloignent du centre d’une galaxie. La plus grande abondance d’étoiles et de gaz près du noyau devrait fournir la force gravitationnelle nécessaire qui accélère les étoiles et le gaz. Plus ils sont répartis sur les bords de la galaxie, moins la force gravitationnelle est importante – et donc, les étoiles et le gaz devraient ralentir. Mais les observations suggèrent que non.

Pour expliquer ces écarts, Rubin et Ford ont fait valoir que chaque galaxie est engloutie par un grand halo de matière noire, fournissant la masse non comptabilisée. La matière noire, affirmaient-ils, fournit environ 85% de la matière dans une galaxie. Sa présence dominante dans toutes les galaxies provient du fait que les étoiles et l’hydrogène gazeux se déplacent comme s’ils étaient gouvernés par un élément invisible.

Leur théorie n’a pas été universellement acceptée. Certains scientifiques ont soutenu que la matière noire n’existe pas .

Mais nous et beaucoup d’autres sommes d’accord avec Rubin et Ford. La matière noire existe parce qu’elle explique tant de choses. Comme l’ a dit un écrivain :

de nombreux [physiciens] rejetteraient volontiers l’idée – si cela ne fonctionnait pas aussi bien.

Regardant loin dans l’univers

Pour notre nouvelle étude, nous avons observé environ 260 galaxies en forme d’étoiles en forme de spirale à environ sept milliards d’années-lumière. Il s’agit essentiellement d’un aperçu du passé. On estime que ces galaxies existaient lorsque l’Univers avait la moitié de son âge actuel d’environ 13,8 milliards d’années. Ils nous apparaissent maintenant comme de simples signaux lumineux. Les galaxies spirales, dont notre Voie lactée fait partie, sont caractérisées par les bras en spirale caractéristiques des étoiles et des nuages ​​de gaz.

Notre objectif était d’observer et de déterminer, puis de comparer, la distribution de masse dans ces galaxies spirales lointaines avec des galaxies plus récentes, plus proches, ayant plus ou moins les mêmes caractéristiques.

Certaines études récentes ont suggéré que les premières galaxies en formation d’étoiles semblent être déficientes en matière noire par rapport aux galaxies plus récentes ou locales. Cela a conduit certains chercheurs à affirmer que la matière noire joue un rôle beaucoup plus petit dans les premiers systèmes stellaires que dans les galaxies d’aujourd’hui. Nos résultats réfutent cette suggestion.

Nous avons pu confirmer que les galaxies antérieures que nous avons étudiées ont les halos caractéristiques de matière noire qui s’accumulent à partir du centre et maintiennent une densité constante jusqu’à un certain rayon. Ceci est largement conforme au scénario standard de la matière noire observée dans les galaxies de l’Univers local. Une découverte surprenante, cependant, a été que ces halos sont beaucoup plus compacts que les galaxies plus proches de notre Voie lactée. Cela suggère que la distribution de matière noire dans une galaxie s’étend lentement au fil du temps. Mais comment ce processus est-il alimenté ?

Notre conclusion est que ce phénomène illustre une interaction directe entre les particules de matière noire et les particules baryoniques de tous les jours. Cela modifie la densité des halos – et ce faisant, va au-delà de la simple relation gravitationnelle des manuels.

Ces découvertes ne fournissent pas toutes les réponses à toutes ou même à quelques-unes des questions qui existent sur la matière noire. Mais cela réduit certainement la longue recherche de particules de matière noire.

Il fournit également une certaine direction à l’identification des particules de matière noire, en fonction de ce dont elles sont capables. Cela, à son tour, ouvre la discussion sur d’autres théories de la matière noire, telles que la matière noire chaude, la matière noire auto-interagissante et la matière noire ultra-légère. Tous ces éléments sont beaucoup plus interactifs que la matière noire froide.

Un regard plus profond

Pour ceux d’entre nous qui sont également hypnotisés et déconcertés par la matière noire, il pourrait bien y avoir une lumière au bout du tunnel. Les nouvelles technologies nous aident à mieux comprendre l’Univers et sa dynamique.

Trouver des réponses signifiera scruter de plus en plus profondément le centre de ces galaxies plus anciennes et « plus jeunes ». Le nouveau télescope spatial James Webb, lancé fin 2021 et maintenant en orbite à quelque 1 500 000 km au-delà de l’orbite terrestre autour du Soleil, pourrait être utile à cet égard.

Il en sera de même pour le nouveau détecteur de matière noire LUX-ZEPLIN , présenté comme le « détecteur de matière noire le plus sensible au monde » et situé à environ 1,5 km sous terre aux États-Unis.

Gauri Sharma

Chercheur postdoctoral SARAO, Université du Western Cape

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