Crédit d'image: Berkeley
La matière noire est un halo de matière invisible qui semble entourer chaque galaxie. Jusqu'à présent, les astronomes pensaient que la matière noire formait probablement une brume uniforme de particules dans l'espace, mais les chercheurs de UC Berkeley et du MIT ont créé une simulation informatique de la façon dont la matière noire pourrait s'agglutiner en plus gros morceaux de matière.
La «matière noire» qui comprend un quart encore non détecté de l'univers n'est pas un brouillard cosmique uniforme, explique une astrophysicienne de l'Université de Californie à Berkeley, mais forme plutôt des amas denses qui se déplacent comme des poussières dansant dans un arbre de lumière.
Dans un article soumis cette semaine à Physical Review D, Chung-Pei Ma, professeur agrégé d'astronomie à UC Berkeley et Edmund Bertschinger du Massachusetts Institute of Technology (MIT), prouvent que le mouvement des amas de matière noire peut être modélisé dans une manière similaire au mouvement brownien de la poussière ou du pollen en suspension dans l'air.
Leurs résultats devraient fournir aux astrophysiciens une nouvelle façon de calculer l'évolution de cet univers fantôme de matière noire et de la réconcilier avec l'univers observable, a déclaré Ma.
La matière noire est un problème lancinant pour l'astronomie depuis plus de 30 ans. Les étoiles dans les galaxies et les galaxies dans les amas se déplacent d'une manière qui indique qu'il y a plus de matière que nous ne pouvons le voir. Cette matière invisible semble se trouver dans un halo sphérique qui s'étend probablement 10 fois plus loin que le halo stellaire visible autour des galaxies. Les premières propositions selon lesquelles la matière invisible est composée d'étoiles brûlées ou de neutrinos lourds n'ont pas été éliminées, et les candidats préférés actuels sont des particules exotiques appelées diversement neutrilinos, axions ou autres particules supersymétriques hypothétiques. Parce que ces particules exotiques interagissent avec la matière ordinaire uniquement par gravité, et non via les ondes électromagnétiques, elles n'émettent pas de lumière.
"Nous ne voyons que la moitié de toutes les particules", a déclaré Ma. "Ils sont trop lourds pour produire maintenant dans des accélérateurs, donc la moitié du monde que nous ne connaissons pas."
Le tableau n'a empiré qu'il y a quatre ans lorsque «l'énergie noire» s'est révélée encore plus répandue que la matière noire. Le compte cosmique fixe désormais l'énergie noire à environ 69% de l'univers, la matière noire exotique à 27%, la matière noire banale - étoiles sombres et invisibles - à 3%, et ce que nous voyons réellement à seulement 1%.
Basé sur des modèles informatiques de la façon dont la matière noire se déplacerait sous la force de gravité, Ma a déclaré que la matière noire n'est pas un amas uniforme enveloppant des amas de galaxies. Au lieu de cela, la matière noire forme de plus petites touffes qui ressemblent superficiellement aux galaxies et aux amas globulaires que nous voyons dans notre univers lumineux. La matière noire a une vie dynamique indépendante de la matière lumineuse, a-t-elle déclaré.
«Le fond cosmique des micro-ondes montre les premiers effets de l'agglutination de la matière noire, et ces amas se développent sous l'attraction gravitationnelle», a-t-elle déclaré. «Mais chacun de ces amas, le halo autour des amas de galaxies, était censé être lisse. Les gens ont été intrigués de constater que les simulations à haute résolution montrent qu'elles ne sont pas lisses, mais ont plutôt des sous-structures complexes. Le monde sombre a sa propre vie dynamique. »
Ma, Bertschinger et Michael Boylan-Kolchin, étudiant diplômé de l'Université de Berkeley, ont eux-mêmes effectué certaines de ces simulations. Plusieurs autres groupes au cours des deux dernières années ont également montré une agglomération similaire.
L'univers fantôme de la matière noire est un modèle pour l'univers visible, a-t-elle déclaré. La matière noire est 25 fois plus abondante que la simple matière visible, de sorte que la matière visible doit se regrouper partout où la matière noire se regroupe.
C'est là que réside le problème, a déclaré Ma. Les simulations informatiques de l'évolution de la matière noire prédisent beaucoup plus d'amas de matière noire dans une région qu'il n'y a d'amas de matière lumineuse que nous pouvons voir. Si la matière lumineuse suit la matière noire, il devrait y avoir un nombre presque équivalent de chacun.
"Notre galaxie, la Voie lactée, compte environ une douzaine de satellites, mais dans les simulations, nous voyons des milliers de satellites de matière noire", a-t-elle déclaré. «La matière noire dans la Voie lactée est un environnement dynamique et vivant dans lequel des milliers de petits satellites de blocs de matière noire pullulent autour d'un grand halo de matière noire parent, interagissant et se dérangeant constamment.»
De plus, les astrophysiciens modélisant le mouvement de la matière noire ont été perplexes de voir que chaque touffe avait une densité qui atteignait un sommet au centre et tombait vers les bords de la même manière, indépendamment de sa taille. Ce profil de densité universelle, cependant, semble être en conflit avec les observations de certaines galaxies naines faites par le collègue de Ma, professeur d'astronomie à UC Berkeley Leo Blitz, et son groupe de recherche, entre autres.
Ma espère qu'une nouvelle façon de voir le mouvement de la matière noire résoudra ces problèmes et la théorie des carrés avec l'observation. Dans son article Physical Review, discuté lors d'une réunion plus tôt cette année de l'American Physical Society, elle a prouvé que le mouvement de la matière noire peut être modélisé un peu comme le mouvement brownien décrit par le botaniste Robert Brown en 1828 et Albert Einstein dans un séminal 1905 papier qui lui a valu le prix Nobel de physique 1921.
Le mouvement brownien a été décrit pour la première fois comme le chemin en zigzag parcouru par un grain de pollen flottant dans l'eau, poussé par des molécules d'eau entrant en collision avec lui. Le phénomène se réfère également au mouvement de la poussière dans l'air et aux amas denses de matière noire dans l'univers de la matière noire, a expliqué Ma.
Cette perspicacité "utilisons un langage différent, un point de vue différent du point de vue standard", pour enquêter sur le mouvement et l'évolution de la matière noire, a-t-elle déclaré.
D'autres astronomes, comme Ivan King, professeur émérite d'UC Berkeley, ont utilisé la théorie du mouvement brownien pour modéliser le mouvement de centaines de milliers d'étoiles à l'intérieur des amas d'étoiles, mais cela, a déclaré Ma, «c'est la première fois qu'elle est appliquée rigoureusement à de grandes échelles cosmologiques. L'idée est que nous ne nous soucions pas exactement de l'emplacement des amas, mais plutôt de la façon dont les amas se comportent statistiquement dans le système, comment ils se dispersent par gravitation. "
Ma a noté que le mouvement brownien des touffes est régi par une équation, l'équation de Fokker-Planck, qui est utilisée pour modéliser de nombreux processus stochastiques ou aléatoires, y compris le marché boursier. Ma et ses collaborateurs travaillent actuellement sur la résolution de cette équation pour la matière noire cosmologique.
"Il est surprenant et ravissant que l'évolution de la matière noire, l'évolution des mottes obéisse à une simple équation vieille de 90 ans", a-t-elle déclaré.
Le travail a été soutenu par la National Aeronautics and Space Administration.
Source d'origine: UC Berkeley
