La recherche de la matière noire – une substance inconnue et invisible censée constituer la grande majorité de la matière dans l’univers – est à la croisée des chemins. Bien qu’elle ait été proposée il y a près de 70 ans et qu’elle ait fait l’objet de recherches intensives – avec de gros collisionneurs de particules, des détecteurs profondément sous terre et même des instruments dans l’espace – elle est toujours introuvable.
Mais les astronomes ont promis de ne laisser «aucune pierre non retournée» et ont commencé à jeter leur filet plus large dans la galaxie. L’idée est d’extraire des informations d’objets astrophysiques qui peuvent en avoir été témoins en passant. Nous venons de proposer une nouvelle méthode pour le faire en traçant le gaz galactique – et cela peut nous aider à nous dire de quoi il est réellement composé.
Les physiciens pensent que la matière noire a tendance à se structurer en une hiérarchie d’haloes et de subhaloes, via la gravité. Les masses de ces amas tombent sur un spectre, les masses inférieures étant censées être plus nombreuses. Y a-t-il une limite à leur luminosité? Cela dépend de la nature des particules de matière noire.
Chaud contre froid
La matière noire ne peut pas être vue directement. Nous savons qu’il existe parce que nous pouvons voir les effets gravitationnels qu’il a sur la matière environnante. Il existe différentes théories sur ce que peut être la matière noire. Le modèle standard suggère qu’il est froid, ce qui signifie qu’il se déplace très lentement et n’interagit avec d’autres matières que par la force de gravité. Cela serait cohérent avec le fait qu’il est composé de particules appelées axions ou WIMPS. Une autre théorie, cependant, suggère qu’il est chaud, ce qui signifie qu’il se déplace à des vitesses plus élevées. Un tel candidat de particule est le neutrino stérile.
Si la matière noire est froide, une galaxie de type Voie lactée pourrait héberger un ou deux subhaloes pesant jusqu’à 1010 soleils, et très probablement des centaines avec des masses d’environ 108 soleils. Si la matière noire est chaude, des halos plus clairs qu’environ 108 soleils ne peuvent pas se former facilement. Ainsi, le décompte des halos sombres de masse lumineuse peut nous dire quelque chose sur la nature de la matière noire.
Empreintes de halo
Nous pensons que l’existence de halos de masse inférieure peut être révélée par des observations soigneusement planifiées. Les astronomes sont déjà très bons dans ce jeu de cache-cache avec des halos de matière noire et ont conçu des observations pour détecter les dégâts qu’ils laissent derrière eux.
Un amas de galaxies avec de la matière noire cartographiée en bleu et des rayons X lumineux en rose. Smithsonian / wikipedia, CC BY-SA
À ce jour, les observations ont principalement ciblé les changements dans la distribution des étoiles dans la Voie lactée. Par exemple, le Grand Nuage de Magellan, une galaxie plus petite en orbite autour de la nôtre, semble avoir un halo de matière noire qui est suffisamment massif pour déclencher un énorme sillage – poussant les étoiles de vastes régions à se déplacer à l’unisson.
Quelques-uns des plus petits halos de matière noire censés siffler à l’intérieur de la Voie lactée peuvent parfois percer de grandes caractéristiques stellaires, telles que des amas globulaires (collection sphérique d’étoiles), laissant des espaces révélateurs. Les halos de matière noire peuvent également affecter la façon dont la lumière se courbe autour des objets astrophysiques dans un processus appelé lentille gravitationnelle.
Mais les signaux laissés dans les distributions stellaires sont faibles et sujets à confusion avec les propres mouvements des étoiles. Une autre façon de sonder l’effet des halos est de regarder le gaz galactique qu’ils affectent. Les galaxies ont beaucoup de gaz chaud (avec une température d’environ 106 degrés Kelvin) qui s’étend jusqu’à leur bord, fournissant un large filet pour attraper ces halos de matière noire.
En utilisant une combinaison de calculs analytiques et de simulations informatiques, nous avons montré que des halos sombres plus lourds que 108 masses solaires peuvent comprimer le gaz chaud à travers lequel ils se déplacent. Ceux-ci créeront des pics locaux de densité du gaz, qui peuvent être captés par des télescopes à rayons X. Celles-ci devraient être minuscules, de l’ordre de quelques pour cent, mais elles seront à la portée des futurs télescopes Lynx et Athena.
Nos modèles prédisent également que les pics de densité du gaz galactique plus froid (avec une température d’environ 105 K) seront encore plus importants. Cela signifie que le gaz plus froid peut enregistrer le passage des halos de matière noire de manière encore plus sensible que le gaz chaud.
Une autre façon prometteuse d’observer les fluctuations induites par la matière noire dans le gaz consiste à utiliser les photons (particules de lumière) du fond cosmique des micro-ondes – la lumière laissée par le Big Bang. Cette lumière disperse les électrons hautement énergétiques dans le gaz chaud d’une manière que nous pouvons détecter, fournissant une approche complémentaire aux autres études.
Au cours des prochaines années, cette nouvelle méthode pourra être utilisée pour tester des modèles de matière noire. Que des halos de matière noire inférieurs à 108 masses solaires soient trouvés dans les nombres prédits ou non, nous apprendrons quelque chose d’utile. Si les chiffres correspondent, le modèle cosmologique standard aurait passé un test important. S’ils manquent ou sont beaucoup moins nombreux que prévu, le modèle standard serait exclu et nous devrons trouver une alternative plus viable.
La matière noire reste un mystère, mais il y a un énorme travail à faire pour la résoudre. Que la réponse provienne d’instruments sur Terre ou de sondes astrophysiques, ce sera sans aucun doute l’une des découvertes les plus importantes du siècle.
