Des simulations astronomiques par ordinateur apportent des preuves solides de l'existence de la matière noire, corroborées par des observations de caractéristiques galactiques difficiles à expliquer sans elle. Des chercheurs, dont une équipe de l'Université de Californie à Irvine, ont utilisé ces observations pour tester et renforcer le modèle de la matière noire par rapport à d'autres théories. Cette approche, décrite dans les Monthly Notices of the Royal Astronomy Society, confirme que la matière noire est un élément crucial pour comprendre la structure et la dynamique de l'univers.
Les tests visaient à découvrir l’existence de cette matière insaisissable, même si elle n’a jamais été observée.
Des simulations informatiques réalisées par des astronomes, notamment ceux de l'Université de Californie à Irvine, soutiennent l'existence de la matière noire. Bien que la matière noire n'ait pas été directement détectée, de nombreux physiciens pensent qu'elle doit exister pour expliquer divers phénomènes dans l'univers observable.
L’ouvrage aborde un débat fondamental en astrophysique : la matière noire invisible doit-elle exister pour expliquer le fonctionnement de l’univers, ou les physiciens peuvent-ils expliquer le fonctionnement des choses en se basant uniquement sur la matière que nous pouvons observer directement ? Actuellement, de nombreux physiciens pensent que quelque chose comme la matière noire doit exister pour expliquer le mouvement des étoiles et des galaxies.
Tester les modèles de l'univers
« Notre article montre comment nous pouvons utiliser des relations réelles et observées comme base pour tester deux modèles différents de description de l’univers », a déclaré Francisco Mercado, auteur principal et récent titulaire d’un doctorat du département de physique et d’astronomie de l’Université de Californie à Irvine, qui est aujourd’hui chercheur postdoctoral au Pomona College. « Nous avons mis au point un test puissant pour faire la distinction entre les deux modèles. »
Le test consistait à effectuer des simulations informatiques avec les deux types de matière – normale et sombre – pour expliquer la présence de caractéristiques intrigantes mesurées dans de vraies galaxies. L’équipe a présenté ses résultats dans Avis mensuels de la Royal Astronomy Society.
Les caractéristiques des galaxies découvertes par l’équipe « devraient apparaître dans un univers contenant de la matière noire, mais seraient difficiles à expliquer dans un univers sans elle », a déclaré Mercado. « Nous montrons que de telles caractéristiques apparaissent dans les observations de nombreuses galaxies réelles. Si nous prenons ces données au pied de la lettre, cela réaffirme la position du modèle de la matière noire comme celui qui décrit le mieux l’univers dans lequel nous vivons. »
Ces caractéristiques notées par Mercado décrivent des modèles dans les mouvements des étoiles et du gaz dans les galaxies qui ne semblent possibles que dans un univers avec de la matière noire.
Cohérence observationnelle et support théorique
« Les galaxies observées semblent obéir à une relation étroite entre la matière que nous voyons et la matière noire que nous détectons, à tel point que certains ont suggéré que ce que nous appelons la matière noire est en réalité la preuve que notre théorie de la gravité est erronée », a déclaré James Bullock, co-auteur de l’étude, professeur de physique à l’UCI et doyen de l’École des sciences physiques de l’UCI. « Ce que nous avons montré, c’est que non seulement la matière noire prédit la relation, mais que pour de nombreuses galaxies, elle peut expliquer ce que nous voyons plus naturellement que la gravité modifiée. Je suis encore plus convaincu que la matière noire est le bon modèle. »
Ces caractéristiques apparaissent également dans les observations faites par les partisans d’un univers sans matière noire. « Les observations que nous avons examinées – les observations mêmes où nous avons trouvé ces caractéristiques – ont été menées par des partisans des théories sans matière noire », a déclaré le co-auteur Jorge Moreno, professeur associé de physique et d’astronomie au Pomona College. « Malgré leur présence évidente, peu ou pas d’analyses ont été réalisées sur ces caractéristiques par cette communauté. Il a fallu des gens comme nous, des scientifiques travaillant à la fois sur la matière ordinaire et sur la matière noire, pour lancer le débat. »
Moreno a ajouté qu'il s'attend à ce que l'étude suscite un débat au sein de sa communauté de recherche, mais qu'il pourrait y avoir place pour un terrain d'entente, car l'équipe a également constaté que de telles caractéristiques n'apparaissent dans leurs simulations que lorsqu'il y a à la fois de la matière noire et matière normale dans l'univers.
« Lorsque les étoiles naissent et meurent, elles explosent en supernovae, qui peuvent façonner le centre des galaxies, ce qui explique naturellement l’existence de ces caractéristiques », a déclaré Moreno. « En termes simples, les caractéristiques que nous avons examinées lors des observations nécessitent à la fois l’existence de la matière noire et l’intégration de la physique de la matière normale. »
Maintenant que le modèle de matière noire de l’univers semble être le modèle dominant, la prochaine étape, a expliqué Mercado, est de voir s’il reste cohérent dans un univers de matière noire.
« Il serait intéressant de voir si nous pourrions utiliser cette même relation pour distinguer différents modèles de matière noire », a déclaré Mercado. « Comprendre comment cette relation évolue selon les différents modèles de matière noire pourrait nous aider à contraindre les propriétés de la matière noire elle-même. »
Le financement provenait d'une subvention AST-2316748 de la National Science Foundation MSP-Ascend à Mercado. Mercado et Bullock ont été soutenus par la subvention NSF AST-1910965 et NASA bourse 80NSSC22K0827. Moreno reçoit un financement de la Fondation Hirsch. Parmi les collaborateurs figurent Michael Boylan-Kolchin (Université du Texas à Austin), Philip F. Hopkins (California Institute of Technology), Andrew Wetzel (Université de Californie à Davis) et Claude-André Faucher-Giguère (Université du nord-ouest) et Jenna Samuel (Université du Texas à Austin).
