Les scientifiques ont découvert de la matière noire autour de galaxies qui existaient il y a environ 12 milliards d’années, la première détection à ce jour de cette substance mystérieuse qui domine l’univers.
Les résultats, obtenus grâce à une collaboration dirigée par des chercheurs de l’Université de Nagoya au Japon, suggèrent que matière noire dans l’univers primitif, il est moins “grumeleux” que prévu par de nombreux modèles cosmologiques actuels. Si davantage de travaux confirment cette théorie, cela pourrait changer la compréhension des scientifiques sur la façon dont les galaxies évoluent et suggérer que les règles fondamentales qui régissent le cosmos auraient pu être différentes lorsque la galaxie avait 13,7 milliards d’années. univers il n’avait que 1,7 milliard d’années.
La clé de la cartographie de la matière noire dans l’univers primitif est la fond de micro-ondes cosmique (CMB), une sorte de rayonnement fossile laissé par le Big Bang qui est distribué dans tout le cosmos.
“Regarder la matière noire autour de galaxies lointaines ? C’était une idée folle. Personne n’avait réalisé que nous pouvions faire cela”, a déclaré Masami Ouchi, professeur à l’Université de Tokyo. dit dans un communiqué. “Mais après avoir donné une conférence sur un large échantillon de galaxies lointaines, Hironao m’a approché et m’a dit qu’il pourrait être possible d’observer la matière noire autour de ces galaxies avec le CMB.”
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Étant donné que la lumière met un temps limité pour se déplacer d’objets distants à Terrain, les astronomes voient les autres galaxies telles qu’elles étaient lorsque la lumière observée les a quittées. Plus une galaxie est éloignée, plus la lumière a voyagé jusqu’à nous, et donc plus nous les voyons loin dans le temps, c’est pourquoi nous voyons les galaxies les plus éloignées telles qu’elles étaient il y a des milliards d’années, dans l’univers infantile.
L’observation de la matière noire est encore plus compliquée. La matière noire est la substance mystérieuse qui représente environ 85 % de la masse totale de l’univers. Il n’interagit pas avec la matière et la lumière comme la matière quotidienne composée de protons et de neutrons qui remplit les étoiles, les planètes et nous.
Détection “précoce” de la matière noire
Pour “voir” la matière noire, les astronomes doivent compter sur son interaction avec la gravité.
Selon La théorie de la relativité d’Einstein, des objets de masse énorme provoquent la courbure de l’espace-temps. Une analogie courante est une feuille d’élastique contenant des balles de masse croissante. Plus la masse est grande, plus la «bosse» qu’elle provoque dans la lame est importante. De même, plus l’objet cosmique est grand, plus la déformation spatio-temporelle qu’il provoque est extrême.
Les objets massifs comme les galaxies provoquent une courbure si forte de l’espace-temps que la lumière provenant de sources situées derrière une galaxie est courbée, un peu comme la trajectoire d’une bille roulée sur une feuille de caoutchouc étirée serait déviée. Cet effet modifie la position de la source lumineuse dans le ciel, un phénomène appelé lentille gravitationnelle.
Étudier la distribution de la matière noire dans un galaxie, les astronomes peuvent observer comment la lumière d’une source située derrière cette galaxie change lorsqu’elle traverse la “galaxie lentille”. Plus une lentille de galaxie contient de matière noire, plus la distorsion de la lumière qui la traverse est importante.
Mais la technique a des limites.
Parce que les galaxies les plus anciennes et les plus éloignées sont si faibles, alors que les astronomes regardent plus profondément dans l’univers et plus loin dans le temps, la lentille devient plus subtile et plus difficile à voir, et les scientifiques ont besoin de nombreuses sources de fond et de nombreuses galaxies anciennes pour la lentille ponctuelle par la matière noire. . Ce problème a limité la cartographie de la distribution de la matière noire aux galaxies âgées de 8 à 10 milliards d’années.
Mais le CMB fournit une source de lumière plus ancienne que n’importe quelle galaxie. Le CMB est un rayonnement omniprésent qui a été créé lorsque l’univers s’est suffisamment refroidi pour permettre aux atomes de se former, réduisant le nombre d’électrons libres qui dispersent les photons à un moment que les cosmologistes appellent “la dernière diffusion”. La réduction des électrons libres a permis photons voyager librement, ce qui signifie que l’univers a soudainement cessé d’être opaque et est devenu transparent à la lumière.
Et comme la lumière provenant d’autres sources distantes, le CMB peut être déformé par les galaxies contenant de la matière noire en raison de la lentille gravitationnelle.
“La plupart des chercheurs utilisent des galaxies sources pour mesurer la distribution de la matière noire depuis le présent jusqu’à il y a 8 milliards d’années”, a déclaré Yuichi Harikane, professeur adjoint à l’Université de Tokyo, dans le communiqué. “Cependant, nous pourrions regarder plus loin dans le passé car nous utilisons le CMB le plus éloigné pour mesurer la matière noire.”
L’équipe a combiné les distorsions de lentille d’un large échantillon de galaxies anciennes avec celles du CMB pour détecter la matière noire datant de l’époque où l’univers n’avait que 1,7 milliard d’années. Et cette ancienne matière noire dépeint une image cosmique très différente.
“Pour la première fois, nous mesurions la matière noire depuis presque les premiers instants de l’univers”, a déclaré Harikane. “Il y a 12 milliards d’années, les choses étaient très différentes. Vous voyez plus de galaxies se former qu’aujourd’hui ; les premiers amas de galaxies commencent également à se former.”
Ces amas peuvent être constitués de 100 à 1 000 galaxies liées entre elles par de grandes quantités de matière noire par gravité.
La matière noire est-elle agglomérée ?
L’un des aspects les plus significatifs des découvertes de l’équipe est la possibilité que la matière noire soit moins agglomérée dans l’univers primitif que ne le suggèrent de nombreux modèles actuels.
Par exemple, le modèle Lambda-CDM largement accepté suggère que de petites fluctuations du CMB auraient dû entraîner la création de poches de matière denses par gravité. Ces fluctuations finissent par provoquer l’effondrement de la matière pour former des galaxies, des étoiles et des planètes, et devraient également entraîner la formation de poches denses de matière noire.
“Notre découverte est encore incertaine”, a déclaré Harikane. “Mais si c’est vrai, cela suggérerait que l’ensemble du modèle est défectueux à mesure que vous remontez dans le temps. C’est excitant car si le résultat tient après la réduction des incertitudes, cela pourrait suggérer une amélioration du modèle qui peut fournir des informations.” . dans la nature même de la matière noire.
L’équipe continuera à collecter des données pour évaluer si le modèle Lambda-CDM correspond aux observations de la matière noire dans l’univers primitif ou si les hypothèses sous-jacentes au modèle doivent être révisées.
Les données utilisées par l’équipe pour arriver à leurs conclusions proviennent du Subaru Hyper Suprime-Cam Survey, qui analyse les données d’un télescope à Hawai’i. Mais les chercheurs n’ont utilisé qu’un tiers de ces données jusqu’à présent, ce qui signifie qu’une meilleure carte de distribution de la matière noire pourrait devenir disponible à mesure que le reste des observations sera intégré.
L’équipe attend également les données du Observatoire Vera C. RubinLegacy Survey of Space and Time (LSST), qui pourrait permettre aux chercheurs de regarder la matière noire encore plus loin dans le temps.
“LSST nous permettra d’observer la moitié du ciel”, a déclaré Harikane. “Je ne vois aucune raison pour laquelle nous ne pouvons pas voir la distribution de la matière noire il y a 13 milliards d’années.”
Les recherches de l’équipe ont été publiées le 1er août dans la revue Lettres d’examen physique.
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