Une collaboration internationale de recherche a utilisé des simulations informatiques avancées pour étudier comment de faibles signaux radio du début de l'univers, qui seront bientôt observés à partir de missions de l'autre côté de la lune, pourrait éclairer les propriétés fondamentales de la matière noire.
La matière ordinaire, qui constitue les étoiles, les planètes et tout ce que nous pouvons voir, ne représente qu'environ 20% de toutes les matières dans l'univers. On pense que les 80% restants sont de la matière noire: une substance mystérieuse qui n'émet, n'absorbe pas ou ne reflète pas la lumière, et dont la vraie nature reste l'un des plus grands problèmes non résolus de la physique moderne. Malgré son invisibilité, la matière noire est connue pour jouer un rôle vital dans la formation de galaxies, telles que la Voie lactée, et pour façonner la structure à grande échelle de l'univers.
L'une des propriétés clés de la matière noire est la masse de ses particules constituantes. Si ces particules sont relativement légères, comme moins d'environ 5% de la masse électronique, alors la matière noire est considérée comme chaude et inhiberait la formation de structures plus petites que les galaxies. Cependant, si les particules sont plus lourdes, la matière noire est classée comme froide, ce qui favoriserait la croissance des structures à plus petite échelle.
Les astronomes ont longtemps cherché à déterminer la masse des particules de matière noire en étudiant des structures à petite échelle composées de gaz et d'étoiles car ces informations sont cruciales pour que les physiciens des particules développent des modèles théoriques de matière noire.
La nouvelle étude, publiée dans Astronomie naturelleaxé sur les petits nuages de gaz qui existaient pendant les âges cosmiques, les 100 premiers millions d'années après le Big Bang avant la formation des étoiles et des galaxies.
L'équipe a été dirigée par le Hyunbae Park de l'Université de Tsukuba Hyunbae Park pendant son temps en tant que chercheur de l'Université de Tokyo Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU, WPI) Project Researcher, et comprenait le professeur IPMU de Kavli et le Max Planck Institute pour la visite de la science-scientifique Astrophysics Naoki Yoshida.
Parce que la formation et l'évolution des étoiles et des galaxies impliquent des processus complexes et mal comprises, la simulation de leur comportement reste avec précision un défi majeur dans l'astrophysique informatique moderne. En ciblant une ère avant le nœud de ces complexités, les chercheurs ont pu simuler des structures cosmiques précoces avec une précision sans précédent.
Les résultats de la simulation (voir Fig. 1) ont révélé comment le gaz s'est progressivement refroidi à mesure que l'univers s'est développé tout en développant de petits amas de gaz via une interaction gravitationnelle avec la matière noire pendant les âges sombres. Le gaz dans ces touffes est devenu beaucoup plus dense que dans l'univers moyen et chauffé en raison de la compression. Cette variation de la densité et de la température a été imprimée dans l'émission radio 21 centimètre à partir d'atomes d'hydrogène.
L'équipe a modélisé cet ancien signal à partir des nuages de gaz primordiaux et a constaté que sa force moyennée par le ciel dépend sensible de savoir si la matière noire est chaude ou froide (Fig. 2). Selon les chercheurs, cette différence pourrait permettre aux futures expériences lunaires de faire la distinction entre les scénarios de matière noire concurrents.
Le signal des âges sombres devrait apparaître à des fréquences d'environ 50 MHz ou moins avec une modulation de fréquence caractéristique, et la différence entre les deux scénarios de matière sombre est inférieure à un milli-kelvin de la température de luminosité.
Ces fréquences sont fortement contaminées par les signaux de fabrication humaine sur Terre et sont encore obscurcis par l'ionosphère, ce qui rend pratiquement impossible de détecter le signal des observatoires au sol. En revanche, le côté éloigné de la lune offre un environnement radio-quiet, protégé de l'interférence terrestre, et est considéré comme un emplacement idéal pour détecter le signal insaisissable des âges sombres (Fig. 3).
Bien que la construction d'observatoires de radio sur la lune pose des défis technologiques et financiers majeurs, un nombre croissant de nations poursuivent de telles missions dans le cadre de la nouvelle race spatiale, combinant l'ambition scientifique avec le progrès technologique. Avec cette élan international croissant, il est désormais considéré comme possible de déterminer la masse des particules de matière noire par des observations lunaires au cours des prochaines décennies. Parmi ces nations, le Japon développe activement le projet Tsukuyomi, qui prévoit de déployer des antennes radio sur la lune.
Les recherches de l'équipe fournissent des conseils théoriques essentiels pour ces missions de quasi-future afin de maximiser leur retour scientifique.
