Une étude examine la distribution de la matière et soutient une influence inconnue ou une nouvelle particule

Les pics denses du graphique de distribution des longueurs d’onde observés dans une forêt Lyman-Alpha ressemblent en effet à de nombreux petits arbres. Chacun de ces pics représente une chute soudaine de « lumière » à une longueur d’onde spécifique et étroite, cartographiant efficacement la matière que la lumière a rencontrée au cours de son voyage jusqu’à nous.

C’est un peu comme un jeu d’ombres où l’on devine le personnage placé entre la lumière et l’écran à partir de sa silhouette. L' »ombre » des molécules d’hydrogène, suspendues à de grandes distances entre nous et la lumière projetée par des sources lumineuses intenses encore plus éloignées, est bien connue des astrophysiciens.

Les images utilisées sont appelées spectrogrammes. Il s’agit de décompositions du rayonnement, que nous appellerons lumière pour simplifier, mais qui comprend également des fréquences que nos yeux ne peuvent pas voir, dans les bandes de longueurs d’onde qui le composent.

« C’est comme une sorte d’arc-en-ciel à grains très fins », explique Simeon Bird, physicien à l’UC Riverside et l’un des auteurs de l’étude.

Nous voyons un arc-en-ciel lorsque la lumière du soleil traverse un prisme (ou une goutte d’eau) et est divisée en ses « ingrédients », les longueurs d’onde mélangées apparaissent comme une lumière blanche.

Dans les spectrogrammes de lumière provenant de sources cosmiques comme les quasars, la même chose se produit, sauf que presque toujours, certaines fréquences manquent, visibles sous forme de bandes noires où la lumière est absente, comme si quelque chose avait projeté une ombre. Il s’agit des atomes et des molécules que la lumière a rencontrés sur son chemin.

Comme chaque type d’atome possède une manière spécifique d’absorber la lumière, laissant une sorte de signature dans le spectrogramme, il est possible de retracer leur présence, notamment celle de l’hydrogène, l’élément le plus abondant de l’univers.

« L’hydrogène est utile car il agit comme un traceur de la matière noire », explique Bird. La matière noire est l’un des grands défis des études actuelles sur l’univers : nous ne savons toujours pas ce qu’elle est et nous ne l’avons jamais vue, mais nous sommes certains qu’elle existe en grande abondance, plus que la matière normale.

Bird et ses collègues ont utilisé l’hydrogène pour le suivre indirectement. « C’est comme si on mettait du colorant dans un jet d’eau : le colorant suivrait la direction de l’eau. La matière noire gravite, elle a donc un potentiel gravitationnel. L’hydrogène gazeux tombe dedans et on l’utilise comme traceur de la matière noire. Là où elle est plus dense, il y a plus de matière noire. On peut considérer l’hydrogène comme le colorant et la matière noire comme l’eau. »

Les travaux de Bird et de ses collègues ne se limitent pas à la surveillance de la matière noire. Dans les études actuelles sur le cosmos, on observe certaines « tensions », c’est-à-dire des divergences entre les observations et les prédictions théoriques.

C’est comme ouvrir une boîte de tomates pelées et y trouver des billes de verre : en fonction de vos hypothèses sur le fonctionnement du monde, vous vous attendriez à une chose, mais étonnamment, les faits vous contredisent. Votre bon sens est équivalent aux modèles théoriques de la physique : ils vous conduisent à des prédictions sur le contenu, mais vous regardez ensuite dans la boîte et vous êtes abasourdi.

Deux choses auraient pu se produire : soit vous avez des problèmes de vision et il s’agit bien de tomates, soit vos connaissances sont erronées (peut-être êtes-vous dans un pays étranger et avez-vous mal lu l’étiquette sur la boîte).

Il en va de même pour les études sur la physique de l’univers. « L’une des tensions actuelles est la quantité de galaxies à petite échelle et à faible décalage vers le rouge », explique Bird. L’univers à faible décalage vers le rouge est celui qui est relativement proche de nous.

« Les hypothèses actuelles pour expliquer l’écart entre les observations et les attentes sont au nombre de deux : il existerait une particule jamais observée auparavant dont nous ne savons rien, ou il se passerait quelque chose d’étrange avec les trous noirs supermassifs à l’intérieur des galaxies. Les trous noirs freinent d’une certaine manière la croissance des galaxies et perturbent donc nos calculs de structure. »

Les travaux de Bird et de ses collègues ont confirmé la validité de la tension (il s’agit donc bien de billes et non de tomates). Ils ont également fait quelque chose de plus.

« L’importance de cette détection est encore assez faible, elle n’est donc pas encore totalement convaincante. Mais si cela se confirme dans les séries de données ultérieures, il est alors beaucoup plus probable qu’il s’agisse d’une nouvelle particule ou d’un nouveau type de physique, plutôt que des trous noirs qui perturbent nos calculs », conclut Bird.

Les résultats sont publié dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules.