Pour le dire simplement, la matière noire n'est pas seulement censée constituer la majeure partie de la masse de l'Univers, mais agit également comme l'échafaudage sur lequel les galaxies sont construites. Mais pour trouver des preuves de cette masse mystérieuse et invisible, les scientifiques sont obligés de s'appuyer sur des méthodes indirectes similaires à celles utilisées pour étudier les trous noirs. Essentiellement, ils mesurent comment la présence de matière noire affecte les étoiles et les galaxies à proximité.
À ce jour, les astronomes ont réussi à trouver des preuves de masses de matière noire autour des moyennes et grandes galaxies. Utilisation des données du Le télescope spatial Hubble et une nouvelle technique d'observation, une équipe d'astronomes de l'UCLA et de la NASA JPL a découvert que la matière noire peut former des amas beaucoup plus petits qu'on ne le pensait auparavant. Ces résultats ont été présentés cette semaine lors de la 235e réunion de l'American Astronomical Society (AAS).
La théorie la plus largement acceptée sur la matière noire affirme qu'elle n'est pas composée des mêmes substances que la baryonique (alias matière normale ou «lumineuse») - c'est-à-dire les protons, les neutrons et les électrons. Au lieu de cela, la matière noire est théoriquement composée d'une sorte de particule subatomique inconnue qui n'interagit avec la matière normale que par la gravité, la plus faible des forces fondamentales - les autres étant des forces électromagnétiques, fortes et faibles.
Une autre théorie largement acceptée affirme que la matière noire se déplace lentement par rapport à d'autres types de particules et est donc sujette à l'agglutination. Conformément à cette idée, l'Univers devrait contenir une large gamme de concentrations de matière noire, allant de petite à grande. Cependant, jusqu'à présent, aucune petite concentration n'a jamais été observée.
En utilisant les données obtenues par la caméra à grand champ 3 de Hubble (WFC3), l'équipe de recherche a cherché à trouver des preuves de ces petits amas en mesurant la lumière des noyaux brillants de huit galaxies éloignées (aka. Quasars) pour voir comment elle est affectée pendant son voyage. à travers l'espace. Cette technique, couramment utilisée par les astronomes pour étudier les galaxies lointaines, les amas d'étoiles et même les exoplanètes, est connue sous le nom de lentille gravitationnelle.
Prédit à l'origine par la théorie de la relativité générale d'Einstein, cette technique s'appuie sur la force gravitationnelle de grands objets cosmiques pour déformer et amplifier la lumière provenant d'objets plus éloignés. Daniel Gilman de l'UCLA, qui était membre de l'équipe d'observation, a ainsi expliqué le processus:
«Imaginez que chacune de ces huit galaxies soit une loupe géante. De petits amas de matière sombre agissent comme de petites fissures sur la loupe, modifiant la luminosité et la position des quatre images quasar par rapport à ce que vous attendez de voir si le verre est lisse. »
Comme espéré, le Hubble les images ont montré que la lumière provenant de ces huit quasars était soumise à un effet de lentille compatible avec la présence de petites touffes le long de la ligne de visée du télescope et dans et autour des galaxies de lentille de premier plan. Les huit quasars et galaxies étaient alignés si précisément que l'effet de déformation a produit quatre images déformées de chaque quasar.
À l'aide de programmes informatiques élaborés et de techniques de reconstruction intensives, l'équipe a ensuite comparé le niveau de distorsion avec des prédictions sur l'apparence des quasars sans l'influence de la matière noire. Ces mesures ont également été utilisées pour calculer les masses des concentrations de matière noire, ce qui indiquait qu'elles étaient de 1/10 000e à 1/100 000e fois la masse du propre halo de matière noire de la Voie lactée.
En plus d'être la première fois que de petites concentrations ont été observées, les résultats de l'équipe confirment l'une des prédictions fondamentales de la théorie de la «Cold Dark Matter». Cette théorie postule que, puisque la matière noire est lente (ou «froide»), elle est capable de former des structures allant de concentrations minuscules à des concentrations énormes qui sont plusieurs fois la masse de la voie lactée.
Cette théorie indique également que toutes les galaxies de l'Univers se sont formées à l'intérieur de nuages de matière noire appelés «halos» et s'y sont intégrés. Au lieu de mettre en évidence des amas à petite échelle, certains chercheurs ont suggéré que la matière noire pouvait en fait être «chaude» - c'est-à-dire se déplaçant rapidement - et donc trop rapide pour former de plus petites concentrations.
Cependant, les nouvelles observations offrent une preuve définitive que la théorie de la matière noire froide et le modèle cosmologique qu'elle prend en charge - le modèle Lambda Cold Dark Matter (? CDM) - est correcte. En tant que membre de l'équipe, le professeur Tommaso Treu de l'Université de Californie, Los Angeles (UCLA), a expliqué que ces dernières Hubble les observations donnent de nouvelles perspectives sur la nature de la matière noire et son comportement.
"Nous avons fait un test d'observation très convaincant pour le modèle de matière noire froide et il passe avec brio", a-t-il déclaré. «C'est incroyable qu'après près de 30 ans de fonctionnement, Hubble permette des vues de pointe sur la physique fondamentale et la nature de l'univers dont nous n'avions même pas rêvé lorsque le télescope a été lancé.»
Anna Nierenberg, chercheuse au Jet Propulsion Laboratory de la NASA qui a dirigé le Hubble enquête, a expliqué plus loin:
La recherche de concentrations de matière noire dépourvues d'étoiles s'est avérée difficile. L'équipe de recherche de Hubble a cependant utilisé une technique dans laquelle ils n'avaient pas besoin de rechercher l'influence gravitationnelle des étoiles comme traceurs de la matière noire. L'équipe a ciblé huit «lampadaires» cosmiques puissants et éloignés, appelés quasars (régions autour de trous noirs actifs qui émettent d'énormes quantités de lumière). Les astronomes ont mesuré comment la lumière émise par l'oxygène et le gaz néon en orbite autour de chacun des trous noirs des quasars est déformée par la gravité d'une galaxie massive de premier plan, qui agit comme une loupe.
Le nombre de petites structures détectées dans l'étude offre plus d'indices sur la nature des particules de matière noire, car leurs propriétés affecteraient le nombre de formations. Cependant, le type de particule qui compose Dark Matter reste un mystère pour le moment. Heureusement, le déploiement de télescopes spatiaux de nouvelle génération dans un avenir proche devrait aider à cet égard.
Il s'agit notamment du James Webb Space Telescope (JWST) et du Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), qui sont tous deux des observatoires infrarouges qui devraient monter cette décennie. Avec leur optique sophistiquée, leurs spectromètres, leur grand champ de vision et leur haute résolution, ces télescopes seront capables d'observer des régions entières de l'espace affectées par des galaxies massives, des amas de galaxies et leurs halos respectifs.
Cela devrait aider les astronomes à déterminer la vraie nature de la matière noire et à quoi ressemblent ses particules constitutives. Dans le même temps, les astronomes prévoient d'utiliser ces mêmes instruments pour en savoir plus sur l'énergie noire, un autre grand mystère cosmologique qui ne peut être étudié qu'indirectement pour l'instant. Des temps passionnants nous attendent!
