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Des énigmes astrophysiques résolues par la théorie émergente de la matière noire

SciTechDaily

Les chercheurs ont fait progresser la compréhension de la matière noire grâce à des simulations soutenant la théorie de la matière noire à interaction automatique (SIDM). Cette théorie résout potentiellement les incohérences dans les densités de matière noire observées dans différentes galaxies, posant un défi au modèle traditionnel de matière noire froide (CDM) et mettant en évidence la nature dynamique de la matière noire. Crédit : Issues.fr.com

La matière noire pourrait être plus dynamique qu’on ne le pensait auparavant, rapporte une étude de l’UC Riverside.

Considérée comme constituant 85 % de la matière de l’univers, la matière noire n’est pas lumineuse et sa nature n’est pas bien comprise. Alors que la matière normale absorbe, réfléchit et émet de la lumière, la matière noire ne peut pas être vue directement, ce qui la rend plus difficile à détecter. Une théorie appelée « matière noire à interaction automatique » ou SIDM propose que les particules de matière noire interagissent elles-mêmes par le biais d’une force obscure, entrant en collision violente les unes avec les autres à proximité du centre d’une galaxie.

Dans un ouvrage publié dans Le Lettres de journaux astrophysiquesune équipe de recherche dirigée par Hai-Bo Yu, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Riverside, rapporte que le SIDM peut expliquer simultanément deux énigmes astrophysiques dans des extrêmes opposés.

Comprendre les halos de matière noire et les lentilles gravitationnelles

« Le premier est un halo de matière noire à haute densité dans une galaxie elliptique massive », a déclaré Yu. « Le halo a été détecté grâce à l’observation d’une forte lentille gravitationnelle, et sa densité est si élevée qu’elle est extrêmement improbable dans la théorie dominante de la matière noire froide. La seconde est que les halos de matière noire des galaxies ultra-diffuses ont des densités extrêmement faibles et qu’ils sont difficiles à expliquer par la théorie de la matière noire froide.

Un halo de matière noire est un halo de matière invisible qui imprègne et entoure une galaxie ou un amas de galaxies. La lentille gravitationnelle se produit lorsque la lumière voyageant à travers l’univers depuis des galaxies lointaines se courbe autour d’objets massifs. Le paradigme/théorie de la matière noire froide, ou CDM, suppose que les particules de matière noire sont sans collision. Comme leur nom l’indique, les galaxies ultra-diffuses ont une luminosité extrêmement faible et la répartition de leurs étoiles et de leur gaz est étalée.

Hai-Bo Yu

Hai-Bo Yu est physicien théoricien à l’UC Riverside et possède une expertise dans les propriétés des particules de matière noire. Crédit : Samantha Tieu

Yu a été rejoint dans l’étude par Ethan Nadler, chercheur postdoctoral conjoint aux Observatoires Carnegie et à l’Université de Californie du Sud, et Daneng Yang, chercheur postdoctoral à l’UCR.

Pour montrer que SIDM peut expliquer les deux énigmes astrophysiques, l’équipe a mené les premières simulations à haute résolution de la formation de structures cosmiques avec de fortes auto-interactions de matière noire à des échelles de masse pertinentes pour le halo de lentilles puissant et les galaxies ultra-diffuses.

« Ces auto-interactions conduisent à un transfert de chaleur dans le halo, ce qui diversifie la densité du halo dans les régions centrales des galaxies », a déclaré Nadler. « En d’autres termes, certains halos ont des densités centrales plus élevées, et d’autres ont des densités centrales plus faibles, par rapport à leurs homologues MDP, avec des détails dépendant de l’histoire de l’évolution cosmique et de l’environnement des halos individuels. »

Remettre en question le paradigme du MDP et la recherche future

Selon l’équipe, ces deux énigmes constituent un formidable défi pour le paradigme standard du MDP.

« Le MDP a le défi d’expliquer ces énigmes », a déclaré Yang. « Le SIDM est sans doute le candidat incontournable pour concilier les deux extrêmes opposés. Aucune autre explication n’est disponible dans la littérature. Il existe désormais une possibilité intrigante que la matière noire soit plus complexe et plus dynamique que prévu.

La recherche démontre également la puissance de sonder la matière noire grâce à des observations astrophysiques, avec l’outil de simulations informatiques de la formation des structures cosmiques.

« Nous espérons que nos travaux encourageront davantage d’études dans ce domaine de recherche prometteur », a déclaré Yu. « Il s’agira d’un développement particulièrement opportun compte tenu de l’afflux attendu de données dans un avenir proche provenant d’observatoires astronomiques, notamment du télescope spatial James Webb et du prochain observatoire Rubin. »

Depuis 2009 environ, les travaux de Yu et de ses collaborateurs ont contribué à populariser le SIDM dans les communautés de physique des particules et d’astrophysique.

La recherche a été soutenue par la Fondation John Templeton et le Département américain de l’énergie.

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