Selon le modèle cosmologique le plus largement accepté, la majorité de la masse de notre univers (environ 85 %) est constituée de « matière noire ». Cette masse insaisissable et invisible est théorisée pour interagir avec la matière “normale” (ou “visible”) par la gravité seule et non par des champs électromagnétiques, n’absorbant ni n’émettant de lumière (d’où le nom “sombre”). La recherche de cette matière est en cours, avec des particules candidates, notamment des particules massives à faible interaction (WIMP) ou des bosons ultralégers (axions), qui se situent aux extrêmes opposés de l’échelle de masse et se comportent très différemment (en théorie).
L’existence de cette matière est essentielle pour que nos théories prédominantes de la gravité (relativité générale) et de la physique des particules (le modèle standard) aient un sens. Sinon, nous devrons peut-être repenser radicalement nos théories sur le comportement de la gravité à la plus grande des échelles (alias Gravité modifiée). Cependant, selon de nouvelles recherches menées par l’Université de Hong Kong (HKU), l’étude des “anneaux d’Einstein” pourrait nous rapprocher de la compréhension de la matière noire. Selon leur article, la façon dont la matière noire modifie la courbure de l’espace-temps laisse des signatures qui suggèrent qu’elle pourrait être composée d’axions !
La recherche a été dirigée par Alfred Amruth, un Ph.D. étudiant en physique au Laboratoire de recherche spatiale (LSR) de HKU. Il a été rejoint par des chercheurs du HKU-LSR, du Donostia International Physics Center (DIPC), du Center for Frontier Science (CFS), du Research Center for the Early Universe (RESCEU), du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe. (IMPU), le Centre de physique cosmologique de Paris (CPCP), l’Instituto de Física de Cantabria (CSIC), le Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), l’Université nationale de Taiwan et d’autres universités et instituts. L’article qui décrit leurs découvertes est récemment paru dans la revue Astronomie naturelle.
Des théories concernant la matière noire ont émergé dans les années 1960 pour expliquer la courbe de rotation des galaxies, qui ne semblait pas cohérente avec la quantité de matière visible qu’elles contenaient. Au fil du temps, les astronomes et les cosmologistes ont noté que les galaxies les plus éloignées de l’Univers (les galaxies d’arrière-plan) sont entourées de « halos » de cette matière. Ces “haloes de matière noire” courbent et amplifient la lumière autour d’eux – un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle – qui produit des caractéristiques appelées “anneaux d’Einstein”, “croix d’Einstein” et d’autres formes et motifs étranges.
Cet effet est prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein, où la présence d’objets massifs modifie la courbure de l’espace-temps. En étudiant comment les anneaux ou d’autres images lentilles sont déformées, les astrophysiciens espèrent en savoir plus sur les propriétés de la matière noire. Pour leur étude, Amruth et ses collègues ont examiné plusieurs systèmes dans lesquels des lentilles gravitationnelles faisaient apparaître la lumière de galaxies lointaines à différents endroits. En particulier, ils ont examiné HS 0810+2554, un quasar à quatre lentilles qui nous apparaît tel qu’il était il y a environ 9 milliards d’années.
À l’aide d’une modélisation détaillée, ils ont calculé comment la matière noire déformerait la lumière de ce quasar distant en se basant sur les deux principales particules candidates. En plus d’être à des extrêmes opposés en termes de masse, on pense également que les WIMP et les axions se comportent de manière radicalement différente. Alors que les WIMP sont censés se comporter comme des particules discrètes, les axions sont théorisés pour se comporter davantage comme des ondes en raison des interférences quantiques. Sur la base de ces caractéristiques, l’équipe a testé pour voir quel candidat produisait des lentilles similaires à celles observées autour de HS 0810 + 2554 et d’autres galaxies d’arrière-plan.
Alors que le modèle WIMPs n’était pas conforme aux observations de l’équipe, le modèle axion reproduisait avec précision toutes les caractéristiques observées de ce système. En démontrant qu’ils peuvent expliquer les anomalies de lentille et d’autres phénomènes astrophysiques, ces résultats pourraient renforcer les arguments en faveur des axions en tant que principal candidat de la matière noire. Bien que cette étude n’ait pas mis fin au débat sur la forme que prend la matière noire (WIMP ou axions) ou sur son existence ou non, elle présente de nouvelles opportunités pour de futurs tests et expériences.
Ces résultats s’appuient également sur des recherches antérieures qui pointaient vers les axions comme le candidat le plus probable pour la matière noire. Cela comprend une étude publiée en 2017 dans laquelle une équipe d’astrophysiciens mexicains et britanniques a utilisé la masse des galaxies sphéroïdes naines (DSG) près de la Voie lactée pour déduire la présence d’axions. En 2018, une étude menée par le Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics a montré comment la lumière du fond cosmique des micro-ondes (CMB) pouvait être utilisée pour sonder l’axion Dark Matter.
Une étude similaire a récemment été menée par la collaboration Atacama Cosmology Telescope (ACT), qui a utilisé la lumière de fond du CMB pour créer une nouvelle carte de la distribution de la matière noire. Alors que l’existence et la nature de la matière noire sont un mystère persistant, les télescopes, instruments et observations de nouvelle génération aident les astronomes à affiner la recherche. L’amélioration de notre compréhension qui en résultera aura d’immenses implications pour la cosmologie, la physique des particules et notre compréhension de la création de l’Univers.
Lectures complémentaires : La conversation, Astronomie naturelle
