A l’aide d’un effet de lentille cosmique, des chercheurs observent la plus ancienne matière noire repérée dans l’univers
La matière noire est, par définition, difficile à détecter. Ce qu’elle est, comment elle se comporte et si elle a changé depuis le Big Bang demeurent des questions passionnantes pour les cosmologistes.
Image d’entête : une illustration de la lumière micro-ondes (fond diffus cosmologique) subissant un effet de lentille par la matière noire. (Reiko Matsushita/ Université de Nagoya)
À l’aide de données astrophysiques provenant de la caméra Hyper Suprime-Cam Survey (HSC) du télescope Subaru et du satellite Planck de l’Agence spatiale européenne, une collaboration dirigée par des scientifiques de l’université de Nagoya, au Japon, est parvenue à sonder les profondeurs de la matière noire primitive de notre Univers, et elle prévoit d’aller encore plus loin.
La matière noire n’interagit pas du tout avec la lumière. Sa présence est généralement déduite de son influence gravitationnelle sur la matière que nous pouvons voir (comment elle affecte les courbes de rotation des galaxies, par exemple), bien que certaines expériences prometteuses de détection directe soient en cours sous vos pieds.
La matière noire peut également être détectée par le biais d’un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle, dans lequel la lumière provenant d’une source éloignée, comme une galaxie, est courbée et focalisée vers les observateurs sur Terre par une masse intermédiaire (comme une autre galaxie ou un amas de matière noire). Ce phénomène est similaire à la façon dont les verres de lunettes réfractent ou « courbent » la lumière vers le globe oculaire, sauf que dans ce cas, la « lentille de verre » est une galaxie enveloppée dans un linceul de matière noire, déformant l’espace-temps dans une illustration brillante de la théorie de la relativité générale d’Einstein.
Schéma de la lentille gravitationnelle : 1- la lumière quitte une jeune galaxie en formation près de la bordure visible de l’univers. 2 – Une grande partie de la lumière passe à travers un objet massif tel qu’un grand regroupement de galaxies entouré de matière noire, directement dans la ligne de mire entre la Terre et la galaxie distante. La gravité de la matière noire agit comme une lentille, tordant la lumière arrivant. 3 – la plupart de la lumière est dispersée, mais une petite partie est concentrée et directement dirigée vers la Terre. Les observateurs verront plusieurs images déformées de la profonde galaxie. (M. T Robison/ REfT)
Grâce à la façon dont la lentille gravitationnelle peut concentrer la lumière provenant d’une source d’arrière-plan éloignée, cette méthode a permis aux scientifiques de voir plus loin dans les débuts de l’Univers que ce qui avait été fait auparavant (en regardant plus loin dans l’espace, on regarde aussi plus loin dans le temps). Dans le cadre de cette étude, l’équipe dirigée par Hironao Miyatake a utilisé ce processus pour étudier la lentille elle-même et mieux comprendre la nature évolutive de la matière noire.
Comme la lumière se propage dans toutes les directions lorsqu’elle part d’une source, elle devient de plus en plus faible avec la distance. Il est donc extrêmement difficile de voir des galaxies et d’autres objets datant des débuts de notre Univers (il y a plus de 10 milliards d’années environ) et, par extension, de caractériser la matière noire intermédiaire.
Miyatake et son équipe ont réussi à relever ce défi en changeant la source de lumière de fond, en délaissant les galaxies lointaines pour le fond diffus cosmologique (FDC ou CMB pour cosmic microwave background). Le FDC est un rayonnement qui subsiste peu après le Big Bang et constitue la lumière la plus ancienne que nous puissions voir dans notre Univers (vous pouvez situer l’apparition du FDC dans l’image du modèle ΛCDM suivant celle du FDC).
La carte ci-dessous présente la plus ancienne lumière dans notre univers, comme elle a été détectée avec la plus grande précision par la mission Planck. La lumière antique, appelée le fond diffus cosmologique, a été imprimée sur le ciel quand l’univers avait 370 000 ans. Elle montre les minuscules fluctuations de température qui correspondent aux régions aux densités légèrement différentes, représentant les graines de toute la future structure : les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.(ESA / Planck Collaboration)
En utilisant les données du HSC, les chercheurs ont identifié 1,5 million de galaxies à effet de lentille à un âge d’environ 12 milliards d’années. Ils ont comparé ces données aux observations du FDC réalisées par le satellite Planck. Cette comparaison a montré comment la matière noire entourant les galaxies à effet de lentille déformait la lumière du FDC et a finalement permis à l’équipe d’étudier la distribution à grande échelle de la matière noire il y a environ 12 milliards d’années, plus loin dans le temps que ce qui avait été réalisé jusqu’à présent.
Selon le professeur adjoint Yuichi Harikane de l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l’Université de Tokyo :
Pour la première fois, nous avons mesuré la matière noire dès les premiers instants de l’univers.
Pourquoi la matière noire est-elle importante ?
Bien que nous ne comprenions toujours pas avec certitude la nature de cette mystérieuse substance responsable de plus de cinq fois la matière que nous voyons autour de nous, la matière noire est intrinsèquement liée à la composition physique et au comportement de notre Univers. Un modèle populaire de la nature de la matière noire, le modèle ΛCDM (Lambda – Cold Dark Matter/ lambda – matière noire froide), prédit un certain niveau d’agrégation de la matière noire dans l’Univers primitif. Ces amas attirent gravitationnellement d’autres matières, y compris la matière visible, ce qui entraîne la formation progressive des étoiles, des galaxies et des amas que nous voyons aujourd’hui.
Les étapes théorisées de l’évolution de l’univers, fournissant le contexte au modèle ΛCDM. (NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team)
Les résultats préliminaires du chercheur indiquent que la matière noire, il y a 12 milliards d’années, était moins agglomérée que ce que prévoit la théorie cosmologique actuelle, ce qui laisse peut-être entrevoir la possibilité qu’elle se soit comportée différemment dans l’Univers primitif.
Miyatake affirme que si l’Univers primitif est moins “agglutiné” que nous le pensions, nous devrons peut-être revoir nos théories de la physique :
Notre découverte est encore incertaine. Mais si elle est vraie, elle suggère que l’ensemble du modèle est erroné à mesure que l’on remonte dans le temps. C’est passionnant car, si le résultat se maintient une fois les incertitudes réduites, cela pourrait suggérer une amélioration du modèle qui pourrait donner un aperçu de la nature de la matière noire elle-même.
Pour l’avenir, Miyatake et son équipe prévoient de remonter encore plus loin dans le temps, en terminant les deux derniers tiers de leur ensemble de données HSC et en analysant éventuellement des ensembles de données avancés tels que ceux du télescope Legacy Survey of Space and Time (LSST) de l’Observatoire Vera C. Rubin.
Pour Harikane :
LSST nous permettra d’observer la moitié du ciel. Je ne vois pas pourquoi nous ne pourrions pas voir la distribution de la matière noire il y a 13 milliards d’années ensuite.
L’étude publiée dans Physical Review Letters : First Identification of a CMB Lensing Signal Produced by 1.5 Million Galaxies at z∼4: Constraints on Matter Density Fluctuations at High Redshift et présentée sur le site de l’Université de Nagoya : Scientists reveal distribution of dark matter around galaxies 12 billion years ago–further back in time than ever before.