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Les énigmes cosmologiques incitent les astronomes à repenser notre vision simpliste de l’univers
La délicatesse n’est probablement pas le premier mot qui vient à l’esprit lorsque l’on pense à la Voie Lactée. Cependant, lorsque Mariangela Lisanti a commencé à modifier la recette de notre galaxie, elle l’a trouvée étonnamment fragile.
Mariangela Lisanti, physicienne des particules à l’Université de Princeton, simulait ce qui se passerait si la matière noire – cette substance mystérieuse censée représenter plus de 80 % de toute la matière de l’univers – était plus exotique que ce que les chercheurs supposent habituellement. Elle a remplacé une petite fraction de la matière noire standard par quelque chose de plus complexe. « Nous pensions ajouter seulement 5 %, tout irait bien », dit-elle. « Et puis nous avons juste cassé la galaxie. »
Il y a de bonnes raisons de telles manipulations. Depuis les années 1980, les signes astronomiques indiquent que la matière noire serait un seul type de particule lente qui ne s’interagit pas avec elle-même. Les physiciens des particules ont déployé de grands efforts pour rechercher cette particule. Mais des décennies plus tard, elle reste introuvable – peut-être parce que la matière noire n’est pas comme nous l’avions imaginée.
Récemment, une série d’anomalies galactiques a provoqué une ruée vers l’exploration d’alternatives. Cette « matière noire complexe » pourrait être aussi simple que des particules subatomiques qui rebondissent les unes contre les autres, ou aussi compliquée que des familles de particules sombres formant des atomes sombres, des étoiles et même des galaxies. Il existe une variété intimidante de possibilités.
Mais maintenant, les observations d’anomalies dans notre galaxie promettent enfin de nous aider à réduire les options. Et avec de nouveaux télescopes à l’horizon, nous pourrions être sur le point de percer la vraie nature de cette substance des plus mystérieuses.
Tout ce que nous savons sur le cosmos et comment il est devenu ce qu’il est aujourd’hui repose sur la matière noire, une idée qui a capté l’attention des astronomes dans les années 1930. À l’époque, l’astronome Fritz Zwicky a démontré qu’il devait y avoir plus de matière que ce que l’œil pouvait voir pour maintenir les amas de galaxies ensemble. Les choses se sont vraiment précisées dans les années 1960, lorsque Vera Rubin a montré que les galaxies individuelles tournaient si rapidement qu’elles devraient se désintégrer à moins qu’il n’y ait une forme de matière invisible en leur sein agissant comme une colle gravitationnelle. Puis, dans les années 1980, le cosmologiste Jim Peebles a suggéré que la matière noire pourrait être une collection lente de particules massives encore inconnues.
La version de la matière noire de Peebles s’est avérée remarquablement robuste – à tel point qu’elle est maintenant essentielle à notre compréhension de l’univers entier. Notre meilleur modèle cosmologique de la manière dont l’univers a pris la forme que nous voyons aujourd’hui, appelé lambda-CDM, postule que le cosmos est composé de trois composants : la matière ordinaire, une énergie encore mystérieuse appelée énergie noire, et la matière noire froide. Le « froid » dans la matière noire froide signifie qu’elle est lente et ne s’interagit que par la gravité.
Cette conception de la matière noire est conforme aux observations de l’univers à grande échelle, c’est pourquoi elle a perduré si longtemps. « En cosmologie, [la matière noire froide] a incroyablement bien résisté », dit Lisanti. « À ces échelles, c’est magnifique. »
Les problèmes avec la matière noire froide
Mais il y a quelques problèmes tenaces. Le plus évident est qu’aucun signe de particules correspondant à cette description n’a été détecté, même après des décennies de recherche. Pendant longtemps, un candidat de premier plan était considéré comme une sorte de particule supersymétrique, qui sont des partenaires hypothétiques des particules qui composent la matière ordinaire. Le photino, le partenaire supersymétrique du photon ordinaire, était justement le candidat parfait pour la matière noire froide. Mais le Grand Collisionneur de Hadrons, l’accélérateur de particules situé au CERN près de Genève, en Suisse, qui devait produire des particules supersymétriques à la pelle, est revenu les mains vides. Pas un seul photino à l’horizon.
Plus récemment, un examen minutieux de la structure de l’univers a soulevé de nouvelles raisons de douter de la matière noire froide. Les modèles de l’univers basés sur cette forme de matière noire peuvent fonctionner bien à grande échelle, mais à l’échelle des galaxies individuelles, quelque chose semble déréglé : des caractéristiques étranges apparaissent pour suggérer que la matière noire froide n’est pas toute l’histoire.
Considérez le problème des satellites manquants. De grands nuages de matière noire sont censés être ce qui a attiré suffisamment de matière normale pour coalescer et déclencher la formation d’étoiles et de galaxies. En conséquence, chaque galaxie est censée être entourée et imprégnée d’une sphère de matière noire, connue sous le nom d’halo. Mais les théories de la matière noire froide prévoient qu’au lieu d’être uniforme, chaque halo devrait se briser en de nombreux sous-halos plus petits, chacun attirant également la matière pour former des galaxies naines qui orbitent autour de la galaxie centrale comme des satellites.
Quand il s’agit de notre propre galaxie, ces sous-halos contiendraient les 60 ou plusieurs galaxies naines qui gravitent autour de la Voie lactée. Mais il devrait y avoir des centaines de sous-halos, et donc de galaxies naines – et nous ne les voyons pas.
Il est possible que seuls les plus grands halos de matière noire aient attiré suffisamment de matière pour former une galaxie satellite. « Cela vous donne une explication très raisonnable de pourquoi vous ne voyez pas beaucoup de galaxies [satellites] », dit Mike Boylan-Kolchin, un théoricien de la formation des galaxies à l’Université du Texas à Austin.
Si tel était le cas, cependant, il y aurait encore beaucoup de ces sous-halos dans notre arrière-cour. « Nous nous attendons à ce qu’ils soient vraiment sombres parce que vous ne pouvez tout simplement pas former d’étoiles en eux », dit Boylan-Kolchin. Mais encore une fois, nous ne les voyons pas.
Il y a une autre manière de détecter ces amas, et de sauver la matière noire froide, et c’est à travers leur influence sur les objets voisins. À la lumière de cela, les astronomes ont tourné leur attention vers les courants d’étoiles. Ceux-ci étaient autrefois des amas d’étoiles ou de petites galaxies qui ont été cannibalisées par notre propre galaxie, les laissant déchirées et étirées en rubans. Les données de l’Agence spatiale européenne Gaia ont montré que la Voie lactée a capturé plusieurs courants d’étoiles. Si quelque chose devait les traverser, comme un sous-halo sombre, cela les perturberait et nous devrions pouvoir détecter cela. « C’est définitivement un endroit où il y a une prédiction concrète de la matière noire froide », dit Lisanti.
Selon le modèle de la matière noire froide, des sous-halos de matière noire de toutes tailles, jusqu’à des masses équivalentes à celle de la Terre, devraient exister. Cela représente beaucoup de boulets de canon invisibles flottant autour de la Voie lactée et perturbant les courants d’étoiles. Mais attendez… à peine des preuves de telles interactions ont été trouvées. En 2018, Adrian Price-Whelan à Princeton et Ana Bonaca au Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian ont trouvé que l’un des courants d’étoiles particuliers, connu sous le nom de GD-1, présentait des lacunes le long de sa longueur, comme s’il avait été frappé à plusieurs reprises. « C’est super excitant et intrigant, mais c’est aussi encore seulement un », dit Lisanti.
Les questions sur le modèle de la matière noire froide ne vont donc pas disparaître. De plus, tout récemment, un problème encore plus déroutant lié à l’halo, connu sous le nom de problème du noyau-cusp, a jeté davantage de doutes.
Selon notre compréhension de la matière noire froide, les simulations montrent que les halos devraient être plus denses vers le centre de la galaxie. « À mesure que vous vous approchez du centre, il devrait y avoir plus de matière noire par unité de volume », dit Boylan-Kolchin. Pourtant, lorsque les astronomes observent la manière dont les galaxies se déplacent, influencées par la gravité de la matière noire, ce n’est pas ce qu’ils voient. Au lieu de cela, la matière noire semble être répartie de manière uniforme à travers l’halo de notre galaxie, notamment dans les régions centrales. C’est un indice que quelque chose de plus complexe se passe.
En conséquence, certains astronomes se sont tournés vers des modèles de matière noire plus compliqués, qui contiennent plusieurs particules et de nouvelles forces de la nature – dans le cadre d’une série de théories largement connues sous le nom de matière noire complexe.
Qu’est-ce que la matière noire complexe ?
Nous ne manquons pas de possibilités. Certains modèles incluent un mélange de composants de matière noire froide et chaude – chaude indiquant des particules à déplacement plus rapide. D’autres impliquent de la matière noire auto-interagissante, décadente ou annihilante. Éliminer ce vaste éventail de modèles de matière noire complexe est la partie difficile.
Dans les scénarios de matière noire froide, les particules n’interagissent que par la gravité, mais dans bon nombre de ces nouvelles idées, d’autres interactions sont possibles. Des particules de matière noire à déplacement rapide provenant d’autres parties de l’halo pourraient entrer en collision avec les particules lentes s’accumulant dans le noyau, leur donnant plus d’énergie. Cela pourrait leur permettre de se distribuer plus librement, créant le genre de noyaux à densité constante que nous voyons.
Dans cet esprit, Lisanti et ses collaborateurs ont modifié la recette de la formation des galaxies, exécutant des simulations informatiques en utilisant notre connaissance de l’évolution de l’univers mais en modifiant le comportement de la matière noire pour voir ce qui pourrait se produire. Et ils ne sont pas les seuls. Mark Vogelsberger au Massachusetts Institute of Technology et Alyson Brooks à l’Université Rutgers dans le New Jersey font un travail similaire, testant les nombreuses combinaisons possibles de particules de matière noire et de forces pour trouver la recette « Goldilocks » qui produit des galaxies comme celles que nous observons.
Le problème, c’est qu’il y a déjà tellement de suggestions théoriques pour la matière noire complexe que – même avec plusieurs équipes travaillant dessus – terminer les simulations sur toutes serait peu pratique. « Chacune de ces simulations prend trois ou quatre mois à exécuter », dit Lisanti. Au lieu de cela, ce que font elle et ses collègues, c’est prendre des caractéristiques ou des propriétés – telles que si la matière noire interagit avec elle-même, se désintègre ou si ses particules constitutives peuvent occuper le même espace physique les unes que les autres – et exécuter des modèles de particules avec l’attribut spécial qu’ils veulent tester, juste pour voir si cela change le comportement de la matière noire.
C’est lorsque Lisanti et ses collègues expérimentaient de cette manière qu’ils ont découvert que transformer juste 5 % de la matière noire froide en variétés plus compliquées rendait impossible la formation de la Voie lactée. « Je pense que c’était une leçon intéressante », dit-elle. « Nous devons être très prudents lorsque nous pensons à de nouveaux modèles. Vous n’avez pas besoin d’ajouter beaucoup [d’autres formes de matière noire] à vos modèles pour vraiment gâcher l’astrophysique. »
Dans ce cas, le riche nouvel éventail de comportements qui proviennent de différents modèles de matière noire complexe est à la fois une bénédiction et une malédiction. Lorsque Lisanti et ses collègues ont permis à leurs particules de perdre de l’énergie, ils ont découvert tout un monde de possibilités. « [La matière noire] s’effondrerait puis nous ne savons pas encore vraiment quelles sont toutes les structures qu’elle peut former lorsqu’elle s’effondre », dit Lisanti.
C’est là que les physiciens des particules interviennent. David Curtin, théoricien à l’Université de Toronto, au Canada, développe une autre forme de supersymétrie qui suppose de changer toute la matière en un ensemble jumeau de particules, chacune avec son propre ensemble de forces, plutôt que de garder les forces identiques. Cela signifierait que les particules jumelles ne peuvent pas interagir avec leurs cousins conventionnels par des forces autres que la gravité – les rendant de la matière noire – mais pourraient interagir entre elles. « Vous venez de prédire un secteur sombre complexe », dit Curtin.
La matière noire atomique
Ce que cela signifie, c’est un domaine hypothétique complexe dans lequel diverses particules de matière noire sont peut-être capables de s’accumuler en atomes sombres, et bien plus encore. Curtin appelle cela la matière noire atomique. « La matière noire atomique [est] très semblable à notre matière ; elle se refroidit, elle s’effondre, elle forme des disques, elle forme des étoiles – des étoiles sombres », dit-il. Étant donné que cette marque de matière noire se comporterait à peu près de la même manière que la matière normale, à part le fait que nous ne pouvons pas la voir, cela signifie également que des étoiles sombres formées par des atomes sombres pourraient finir par devenir une galaxie sombre superposée invisiblement sur notre propre Voie lactée.
C’est un concept étrange, mais une galaxie invisible aurait une empreinte unique que nous pourrions voir avec des télescopes futurs. Si Curtin a raison, les étoiles sombres auront formé une structure de galaxie en forme de disque qui courbera gravitationnellement la lumière dans un processus appelé microlentille. L’effet de cela est de rendre les étoiles en arrière-plan momentanément plus brillantes. « Si vous trouvez un signal de microlentille et qu’il est concentré dans le disque de la Voie lactée, cela est un très fort indicateur de la matière noire atomique », dit-il.
En 2022, Curtin et ses collègues ont montré que l’Observatoire Vera C. Rubin au Chili pourrait être capable de trouver de tels signaux de microlentille lorsqu’il commencera à fonctionner l’année prochaine, s’ils existent. Mais il espère préciser quels signaux seraient définitifs.
Beaucoup d’astronomes, comme Boylan-Kolchin, pensent qu’il est encore un peu prématuré d’écrire l’épitaphe de la matière noire froide. « Il y a beaucoup de petites indications que les choses ne sont au moins pas aussi simples qu’on pourrait le penser », dit-il, « [mais] ce n’est pas clair qu’il y ait quelque chose de plus compliqué qui se passe dans la matière noire. »
Une alternative est que la matière normale, non sombre, se comporte de manière que nous trouvons difficile à comprendre. Les astronomes se concentrent sur la gravité, mais si nous pouvions mieux modéliser la thermodynamique, peut-être verrions-nous un comportement plus complexe. Par exemple, cela pourrait provenir d’une meilleure compréhension de ce qui se passe lorsque les supernovae explosent et énergisent les gaz environnants, les redistribuant par des processus thermodynamiques plutôt que gravitationnels.
Entre-temps, Lisanti et ses collègues continueront à exécuter des simulations pour voir s’il pourrait y avoir de la matière noire complexe dans notre univers. Pour le moment, il semble que cela ne remplacera pas entièrement la matière noire froide. Le fait de s’écarter des modèles actuels peut si facilement briser la galaxie montre que notre recette existante fonctionne, dans l’ensemble. Peut-être alors, la clé pour la perfectionner n’est pas de remplacer un ingrédient entier, mais simplement d’ajouter un peu d’assaisonnement.
Continuité dans la recherche : De nouvelles perspectives sur la matière noire complexe
Malgré les défis évidents et les interrogations que suscite la matière noire froide, les chercheurs continuent d’élargir le champ des possibles en explorant des modèles alternatifs qui pourraient fournir de meilleures réponses aux anomalies observées. La matière noire complexe, avec ses diverses interactions et ses propriétés exotiques, ouvre une fenêtre sur des scénarios fascinants où la cosmologie et la physique des particules se rencontrent et fusionnent.
Dans ce contexte, les expériences et les observations futures jouent un rôle crucial. Les détecteurs de matière noire, tels que ceux exploités dans des laboratoires souterrains profonds, sont constamment améliorés pour augmenter leur sensibilité à des interactions rares. Parallèlement, les progrès dans la technologie des télescopes, comme ceux anticipés avec l’Observatoire Vera C. Rubin, offrent des promesses de détections indirectes via des effets tels que la microlentille gravitationnelle.
Cependant, la recherche de la matière noire est aussi une quête qui nécessite patience et prudence. Chaque nouvelle donnée ou résultat expérimental doit être minutieusement analysé pour distinguer les signaux potentiels de matière noire des interférences ou des bruits de fond cosmiques. Cette rigueur est essentielle car la confirmation de l’existence de particules de matière noire, et particulièrement de formes complexes de celle-ci, pourrait révolutionner notre compréhension de l’univers à un niveau fondamental.
Collaboration internationale et avancées technologiques
L’ampleur des questions posées par la matière noire nécessite une collaboration internationale sans précédent entre physiciens, astronomes, et ingénieurs. Les collaborations à grande échelle permettent de partager des ressources coûteuses, telles que des accélérateurs de particules et des observatoires spatiaux, et de cumuler des expertises variées pour analyser les données recueillies.
En outre, l’avancée dans les technologies de simulation numérique permet aux scientifiques de tester des théories de matière noire de plus en plus complexes sans le coût prohibitif de montages expérimentaux réels. Ces simulations sont vitales pour préparer le terrain avant que des observations directes ne soient possibles, en permettant aux chercheurs de peaufiner leurs modèles en fonction des contraintes observées.
Éduquer le public et la prochaine génération
Un autre aspect important de la recherche en matière noire est l’éducation du public et des futurs scientifiques. Les découvertes en cosmologie et en physique des particules peuvent souvent sembler éloignées du quotidien, c’est pourquoi il est crucial de communiquer sur ces sujets de manière accessible et engageante. En inspirant la curiosité et la compréhension, nous pouvons assurer une relève de chercheurs motivés et bien informés.
Les programmes éducatifs et les initiatives de vulgarisation jouent un rôle clé en démythifiant la science de la matière noire et en montrant comment elle se connecte à des questions universelles sur notre origine et notre destin cosmique.
Conclusion : Vers un avenir éclairé par les étoiles sombres
En définitive, l’étude de la matière noire est plus qu’une enquête sur une particule insaisissable; elle est une porte vers une compréhension plus profonde de l’ensemble du tissu cosmique. Que nous découvrions une myriade de particules de matière noire ou que nous revisitions nos théories de la gravité, chaque pas en avant dans cette recherche nous rapproche d’une réponse à l’une des plus grandes énigmes de l’univers.
Avec l’engagement continu des scientifiques et le soutien de la technologie de pointe, l’avenir de la cosmologie est prometteur. Les mystères de la matière noire attendent d’être résolus, et avec eux, des secrets sur la nature même de la réalité pourraient être révélés.
