Des astronomes ont publié une carte détaillée de la matière noire couvrant un quart du ciel, utilisant les données du Atacama Cosmology Telescope.

La carte de la matière noire du Atacama Cosmology Telescope

En exploitant les données recueillies par le Atacama Cosmology Telescope de la National Science Foundation dans les hautes Andes chiliennes, plus de 160 astronomes à travers le monde ont élaboré la carte la plus détaillée de la matière noire répartie sur un quart du ciel. Cette structure invisible représente une grande partie de l’univers, approximativement 85%, mais échappe à toute détection directe car elle n’interagit ni avec la lumière ni avec d’autres formes de rayonnement électromagnétique, se manifestant uniquement par sa force gravitationnelle.

Pour cartographier cette présence, l’équipe menée notamment par Neelima Sehgal de Stony Brook University s’est concentrée sur le fond diffus cosmologique, la lumière émanant de la formation de l’univers lors du Big Bang, il y a 380 000 ans. En suivant la façon dont la gravité des structures massives comme la matière noire déforme ce rayonnement sur son voyage de 14 milliards d’années — un phénomène connu sous le nom de gravitational lensing —, les chercheurs ont mesuré les distorsions de cette lumière ancestrale.

Le Dr. Mathew Madhavacheril, astronome à l’Université de Pennsylvanie, a déclaré via SCI qu’ils avaient établi une nouvelle carte de masse en exploitant les distorsions lumineuses héritées du Big Bang et que, de manière remarquable, celle-ci fournit des mesures démontrant que tant l’« agglutination » de l’Univers que son rythme de croissance après 14 milliards d’années d’évolution correspondent exactement à ce que l’on attend de notre modèle cosmologique standard fondé sur la théorie de la gravité d’Einstein.

Dr. Mathew Madhavacheril, astronomer at the University of Pennsylvania, via SCI

Le modèle à deux composants et la ségrégation de masse

Alors que le modèle standard de la matière froide et sombre explique globalement la formation des galaxies, il présente des limites face à certaines observations récentes, telles que les faibles concentrations de matière noire au cœur des galaxies naines et les amas denses mis en évidence par les fortes lentilles gravitationnelles. Pour résoudre ces énigmes, des physiciens de l’Observatoire de la montagne pourpre de l’Académie chinoise des sciences ont proposé une théorie alternative impliquant des particules de masses différentes, publiée dans Science Bulletin.

Photo: sciencedaily.com

Ce modèle de matière noire auto-interagissante à deux composants intègre au moins deux types de particules de matière noire, l’une lourde et l’autre légère, qui peuvent entrer en collision directe. Ces interactions engendrent un processus de ségrégation de masse similaire à celui observé dans les amas d’étoiles. Les particules les plus lourdes dérivent progressivement vers le centre des galaxies, tandis que les plus légères se dispersent vers l’extérieur au fil du temps.

À l’aide de simulations informatiques à haute résolution combinées à une modélisation théorique, l’équipe de l’Observatoire de la montagne pourpre a démontré que cette dynamique reproduit fidèlement de nombreuses observations astronomiques. L’accumulation de particules plus lourdes dans des régions clés accroît notamment la probabilité d’événements de small scale gravitational lensing, expliquant pourquoi les scientifiques observent un nombre de ces événements plus élevé que ne le prévoyaient les modèles traditionnels.

Perspectives historiques et le rôle du Nancy Grace Roman Space Telescope

L’histoire de la recherche sur la matière noire remonte à plus de 80 ans, lorsque l’astronome heléno-américain Fritz Zwicky observa que les galaxies de l’amas de Coma se déplaçaient si rapidement qu’elles auraient dû s’échapper dans l’espace sans une masse invisible pour les retenir. Dans les années 1970, l’astronome américaine Vera Rubin identifia la même anomalie dans les galaxies spirales, constatant que la vitesse des étoiles en périphérie exigeait une quantité de matière bien supérieure à celle que l’on pouvait observer visuellement.

Photo: SCI

Pour approfondir ces investigations, le télescope spatial Roman de la NASA se préparera à mener des relevés complets sur la répartition de la matière normale et de la matière noire à travers l’espace et le temps. En s’appuyant sur des techniques de lentilles gravitationnelles faibles qui suivent la façon dont de plus petits amas de matière noire modifient l’apparence des galaxies lointaines, la mission mesurera la distribution de la matière dans des centaines de millions de galaxies.

Selon les analyses de la NASA, si la matière noire se compose de particules lourdes et lentes, elle s’agglomérera rapidement, permettant à Roman d’observer la formation des galaxies dès les premiers âges cosmiques. Si elle s’avère constituée de particules plus légères et rapides, la formation des structures à grande échelle prendra davantage de temps, offrant ainsi aux scientifiques les moyens de tester les théories sur la nature fondamentale de la matière invisible et de cibler de futures expériences de détection directe sur Terre.