Le peu que nous savons sur la matière noire provient de calculs basés sur la luminosité des galaxies environnantes. Cependant, plus nous regardons loin, plus la lumière des étoiles devient faible, ce qui rend difficile de voir l’influence subtile de cette force la plus mystérieuse.
Aujourd’hui, une collaboration entre des astronomes du Japon et des États-Unis a trouvé un moyen différent d’éclairer l’obscurité lointaine, en étudiant comment des masses sombres de matière noire déforment la lueur de fond du cosmos.
Comme des photos lancées d’une voiture en mouvement, toute l’histoire de notre Univers s’étire dans l’immensité de l’espace. Pour voir une succession de moments clés, il suffit de continuer à regarder plus loin sur la route.
Malheureusement, l’étalement sans cesse croissant n’a pas été tendre avec ces clichés plus anciens, étirant leurs palettes de lumière stellaire jusqu’à ce qu’ils soient si dépourvus d’énergie qu’ils nous apparaissent comme des braises incandescentes.
C’est dommage qu’on ne puisse pas les voir tels qu’ils sont. Si ces premières galaxies ressemblent à celles que nous verrons beaucoup plus tard dans la chronologie de l’Univers, leurs structures devraient être influencées par des poches de gravité produites par… eh bien, nous n’en avons aucune idée.
On l’appelle matière noire uniquement parce qu’elle ne rayonne aucune information qui nous dit quelque chose sur sa nature. Il s’agira probablement d’une sorte de masse semblable à une particule avec peu de propriétés, un peu comme un neutrino. Il existe une possibilité externe que cela soit le reflet de quelque chose que nous avons mal compris à propos de la configuration de l’espace et du temps.
En bref, nous n’avons toujours pas de théorie concrète sur la place de ce phénomène dans la physique existante. Donc, obtenir une mesure précise de ce à quoi ressemblaient ces halos de matière noire super-anciens nous dirait au moins s’ils ont changé au fil du temps.
On ne peut estimer sa masse totale, à la fois invisible et brillante, en mesurant sa pâle lumière. Mais il est possible d’utiliser la façon dont leur masse collective déforme la lumière des étoiles traversant l’espace environnant.
Cette technique de lentille fonctionne assez bien pour de grands groupes de galaxies vues il y a environ 8 à 10 milliards d’années. Cependant, plus nous voulons voir en arrière, moins il y a de rayonnement stellaire en arrière-plan à analyser pour les distorsions.
Selon l’astrophysicien de l’Université de Nagoya Hironao Miyatake et ses collègues, il existe une autre source de lumière que nous pourrions utiliser, appelée le fond diffus cosmologique (CMB).
Considérez le CMB comme le premier instantané du cosmos nouveau-né. L’écho lumineux émis lorsque l’Univers avait environ 300 000 ans imprègne maintenant l’espace sous la forme d’un faible rayonnement.
Les scientifiques utilisent des motifs subtils dans ce bourdonnement de fond pour tester toutes sortes d’hypothèses sur les premières phases critiques de l’évolution de l’Univers. Cependant, l’utiliser pour estimer la masse moyenne des galaxies lointaines et la distribution des halos de matière noire environnants était une nouveauté.
“C’était une idée folle. Personne ne s’était rendu compte que nous pouvions faire ça”, déclare Masami Ouchi, astrophysicien à l’Université de Tokyo.
“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.”
Hironao et ses collègues se sont concentrés sur un ensemble spécial d’objets lointains formant des étoiles appelés galaxies Lyman-break.
À l’aide d’un échantillon composé de près de 1,5 million de ces objets collectés dans le cadre de l’enquête du programme stratégique Subaru Hyper Suprime-Cam, ils ont analysé les modèles de rayonnement micro-ondes vus par le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne.
Les résultats ont fourni aux chercheurs une masse de halo typique pour les galaxies d’il y a environ 12 milliards d’années, une époque assez différente de celle que nous voyons plus près de chez nous aujourd’hui.
Selon la théorie cosmologique standard, la formation de ces premières galaxies était largement déterminée par les fluctuations de l’espace qui exagéraient l’accumulation de matière. Fait intéressant, ces nouvelles découvertes sur les premières masses galactiques reflètent une accumulation de matière inférieure à ce que prédisent les modèles préférés actuels.
“Notre découverte est encore incertaine”, déclare Miyatake. “Mais si c’est vrai, cela suggérerait que tout le modèle est défectueux à mesure que vous remontez dans le temps.”
Revisiter les modèles existants de la façon dont les éléments fraîchement cuits se sont réunis pour former les premières galaxies pourrait révéler des lacunes qui pourraient également expliquer les origines de la matière noire.
Aussi fanées que soient les photos de bébé de l’Univers, il est clair qu’elles ont encore une grande histoire à raconter sur la façon dont nous sommes devenus.
Cette recherche a été publiée dans Lettres d’examen physique.