Dans une étude publiée aujourd’hui dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules, des chercheurs de l’Université de Toronto révèlent une percée théorique qui pourrait expliquer à la fois la nature de la matière noire invisible et la structure à grande échelle de l’univers connue sous le nom de toile cosmique. Le résultat établit un nouveau lien entre ces deux problèmes de longue date en astronomie, ouvrant de nouvelles possibilités pour comprendre le cosmos.
La recherche suggère que le « problème d’agglutination », qui se concentre sur la distribution inattendue et uniforme de la matière à grande échelle dans le cosmos, peut être un signe que la matière noire est composée d’hypothétiques particules ultra-légères appelées axions. Les implications de prouver l’existence d’axions difficiles à détecter vont au-delà de la compréhension de la matière noire et pourraient répondre à des questions fondamentales sur la nature de l’univers lui-même.
« Si cela est confirmé par de futures observations de télescopes et des expériences de laboratoire, la découverte de la matière noire axion serait l’une des découvertes les plus importantes de ce siècle », déclare l’auteur principal Keir Rogers, Dunlap Fellow à l’Institut Dunlap d’astronomie et d’astrophysique de la Faculté des arts et Sciences à l’Université de Toronto.
« Dans le même temps, nos résultats suggèrent une explication de la raison pour laquelle l’univers est moins touffu que nous le pensions, une observation qui est devenue de plus en plus claire au cours de la dernière décennie environ, et laisse actuellement notre théorie de l’univers incertaine. »
La matière noire, qui représente 85 % de la masse de l’univers, est invisible car elle n’interagit pas avec la lumière. Les scientifiques étudient ses effets gravitationnels sur la matière visible pour comprendre comment elle se répartit dans l’univers.
Une simulation informatique d’une section de l’univers avec et sans axions montrant comment la structure du réseau cosmique de la matière noire est moins agglomérée si elle contient des axions. Pour l’échelle, la galaxie de la Voie lactée se trouverait à l’intérieur de l’un des petits points verts appelés halos. Crédit : Alexander Spencer London/Alex Laguë.
Une théorie de premier plan propose que la matière noire soit constituée d’axions, décrits en mécanique quantique comme « flous » en raison de leur comportement ondulatoire. Contrairement aux particules ponctuelles discrètes, les axions peuvent avoir des longueurs d’onde plus grandes que des galaxies entières. Ce flou influence la formation et la distribution de la matière noire, expliquant potentiellement pourquoi l’univers est moins aggloméré que prévu dans un univers sans axions.
Ce manque d’agglutination a été observé dans les grandes enquêtes sur les galaxies, remettant en question l’autre théorie dominante selon laquelle la matière noire se compose uniquement de particules subatomiques lourdes et à faible interaction appelées WIMP. Malgré des expériences comme le Large Hadron Collider, aucune preuve à l’appui de l’existence de WIMP n’a été trouvée.
« En science, c’est lorsque les idées échouent que de nouvelles découvertes sont faites et que des problèmes séculaires sont résolus », explique Rogers.
Pour l’étude, l’équipe de recherche – dirigée par Rogers et comprenant des membres du groupe de recherche de la professeure agrégée Renée Hložek à l’Institut Dunlap, ainsi que de l’Université de Pennsylvanie, de l’Institute for Advanced Study, de l’Université Columbia et du King’s College de Londres – a analysé les observations de lumière relique du Big Bang, connue sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB), obtenue à partir des relevés Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope et South Pole Telescope.
Les chercheurs ont comparé ces données CMB avec les données de regroupement de galaxies du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), qui cartographie les positions d’environ un million de galaxies dans l’univers proche. En étudiant la distribution des galaxies, qui reflète le comportement de la matière noire sous les forces gravitationnelles, ils ont mesuré les fluctuations de la quantité de matière dans l’univers et confirmé sa réduction de l’agglutination par rapport aux prédictions.
Les chercheurs ont ensuite effectué des simulations informatiques pour prédire l’apparition de la lumière relique et la distribution des galaxies dans un univers aux longues ondes de matière noire. Ces calculs sont alignés sur les données CMB du Big Bang et les données de regroupement des galaxies, soutenant la notion que les axions flous pourraient expliquer le problème d’agglutination.
Les recherches futures impliqueront des enquêtes à grande échelle pour cartographier des millions de galaxies et fournir des mesures précises de l’agglutination, y compris des observations au cours de la prochaine décennie avec l’observatoire Rubin.
Les chercheurs espèrent comparer leur théorie aux observations directes de la matière noire par lentille gravitationnelle, un effet où l’agglutination de la matière noire est mesurée par la mesure dans laquelle elle dévie la lumière des galaxies lointaines, semblable à une loupe géante. Ils prévoient également d’étudier comment les galaxies expulsent du gaz dans l’espace et comment cela affecte la distribution de la matière noire pour confirmer davantage leurs résultats.
Comprendre la nature de la matière noire est l’une des questions fondamentales les plus urgentes et la clé pour comprendre l’origine et l’avenir de l’univers.
Actuellement, les scientifiques n’ont pas une seule théorie qui explique simultanément la gravité et la mécanique quantique – une théorie de tout. La théorie la plus populaire de tout au cours des dernières décennies est la théorie des cordes, qui pose un autre niveau en dessous du niveau quantique, où tout est fait d’excitations d’énergie en forme de cordes. Selon Rogers, la détection d’une particule d’axion floue pourrait être un indice que la théorie des cordes de tout est correcte.
« Nous avons maintenant les outils qui pourraient enfin nous permettre de comprendre expérimentalement quelque chose sur le mystère centenaire de la matière noire, même au cours de la prochaine décennie, et cela pourrait nous donner des indices de réponses à des questions théoriques encore plus importantes », déclare Rogers. . « L’espoir est que les éléments déroutants de l’univers peuvent être résolus. »
Plus d’information:
Axions ultra-légers et tension S8 : contraintes articulaires du fond cosmologique micro-onde et amas de galaxies, Journal de cosmologie et de physique des astroparticules (2023). DOI : 10.1088/1475-7516. iopscience.iop.org/article/10. … 475-7516/2023/06/023