La matière noire est invisible pour tous nos instruments, mais cela ne signifie pas qu'elle n'est pas là. Un radiotélescope suffisamment grand devrait être capable de cartographier le rayonnement de l'hydrogène prégalactique - formé peu de temps après le big bang et visible dans toutes les directions. Toute matière noire intermédiaire déformera ce rayonnement, comme des ondulations dans un étang, révélant sa présence et sa quantité.
Lorsque la lumière nous parvient d'objets éloignés, sa trajectoire est légèrement courbée par les effets gravitationnels des choses qu'elle passe. Cet effet a été observé pour la première fois en 1919 pour la lumière d'étoiles lointaines passant près de la surface du Soleil, prouvant que la théorie de la gravité d'Einstein est une meilleure description de la réalité que celle de Newton. La flexion provoque une distorsion détectable des images de galaxies éloignées, analogue à la distorsion d'une scène éloignée vue à travers une mauvaise vitre ou réfléchie dans un lac ondulé. La force de la distorsion peut être utilisée pour mesurer la force de la gravité des objets de premier plan et donc leur masse. Si des mesures de distorsion sont disponibles pour un nombre suffisamment important de galaxies éloignées, elles peuvent être combinées pour faire une carte de l'ensemble de la masse de premier plan.
Cette technique a déjà produit des mesures précises de la masse typique associée aux galaxies de premier plan, ainsi que des cartes de masse pour un certain nombre d'amas de galaxies individuelles. Elle souffre néanmoins de quelques limitations fondamentales. Même un grand télescope dans l'espace ne peut voir qu'un nombre limité de galaxies de fond, un maximum d'environ 100 000 dans chaque parcelle de ciel de la taille de la pleine lune. Les mesures d'environ 200 galaxies doivent être moyennées ensemble pour détecter le signal de distorsion gravitationnelle, de sorte que la plus petite zone pour laquelle la masse peut être imagée est d'environ 0,2% celle de la pleine lune. Les images résultantes sont floues de manière inacceptable et sont trop granuleuses à de nombreuses fins. Par exemple, seuls les très gros morceaux de matière (les plus gros amas de galaxies) peuvent être repérés dans ces cartes en toute confiance. Un deuxième problème est que de nombreuses galaxies lointaines dont la distorsion est mesurée se trouvent devant de nombreux morceaux de masse que l'on souhaite cartographier, et ne sont donc pas affectées par leur gravité. Faire une image nette de la masse dans une direction donnée nécessite des sources plus éloignées et en nécessite beaucoup plus. Les scientifiques du MPA Ben Metcalf et Simon White ont montré que les émissions radio provenant de l'époque avant la formation des galaxies peuvent fournir de telles sources.
Environ 400 000 ans après le Big Bang, l'Univers s'était suffisamment refroidi pour que presque toute sa matière ordinaire se transforme en un gaz diffus, presque uniforme et neutre d'hydrogène et d'hélium. Quelques centaines de millions d'années plus tard, la gravité a amplifié les non-uniformités au point où les premières étoiles et galaxies pourraient se former. Leur lumière ultraviolette a ensuite chauffé à nouveau le gaz diffus. Pendant ce réchauffage et pendant une longue période avant, l'hydrogène diffus était plus chaud ou plus froid que le rayonnement laissé par le Big Bang. Par conséquent, il doit avoir absorbé ou émis des ondes radio d'une longueur d'onde de 21 cm. L'expansion de l'Univers fait que ce rayonnement est visible aujourd'hui à des longueurs d'onde de 2 à 20 mètres, et un certain nombre de radiotélescopes basse fréquence sont actuellement en construction pour le rechercher. L'un des plus avancés est le Low Frequency Array (LOFAR) aux Pays-Bas, un projet dans lequel le Max Planck Institute for Astrophysics prévoit de jouer un rôle important, avec un certain nombre d'autres institutions allemandes.
L'hydrogène prégalactique a des structures de toutes tailles qui sont les précurseurs des galaxies, et il y a jusqu'à 1000 de ces structures à différentes distances le long de chaque ligne de visée. Un radiotélescope peut les séparer car des structures à différentes distances donnent des signaux à différentes longueurs d'onde observées. Metcalf et White montrent que la distorsion gravitationnelle de ces structures permettrait à un radiotélescope de produire des images à haute résolution de la distribution de masse cosmique qui sont plus de dix fois plus nettes que la meilleure qui puisse être faite en utilisant les distorsions de la galaxie. Un objet de masse similaire à notre propre Voie lactée a pu être détecté depuis l'époque où l'Univers n'avait que 5% de son âge actuel. Une telle imagerie à haute résolution nécessite un réseau de télescopes extrêmement grand, couvrant densément une région d'environ 100 km de diamètre. C'est 100 fois la taille prévue pour la partie centrale densément couverte de LOFAR, et environ 20 fois plus grand que le noyau densément couvert du réseau kilométrique carré (SKA), la plus grande installation de ce type actuellement en discussion. Un tel télescope géant pourrait cartographier toute la distribution de masse gravitationnelle de l'Univers, fournissant la carte de comparaison ultime pour les images produites par d'autres télescopes qui ne mettent en évidence que la minuscule fraction de la masse qui émet un rayonnement qu'ils peuvent détecter.
Nous n’avons cependant pas à attendre que le télescope géant obtienne des résultats inégalés avec cette technique. L'un des problèmes les plus pressants de la physique actuelle est de mieux comprendre la mystérieuse énergie sombre qui est actuellement à l'origine de l'expansion accélérée de l'Univers. Metcalf et White montrent que des cartes de masse d'une grande partie du ciel faites avec un instrument comme SKA pourraient mesurer les propriétés de l'énergie sombre plus précisément que toute méthode précédemment suggérée, plus de 10 fois plus précisément que des cartes de masse de taille similaire basées sur la gravitation distorsions des images optiques des galaxies.
Source d'origine: Max Planck Institute for Astrophysics News Release
