Une équipe de recherche dirigée par l'USC a créé une série de jumeaux simulés de supercalculateurs de notre galaxie de la Voie lactée – qui pourrait aider les scientifiques à libérer de nouvelles réponses sur l'un des plus grands mystères de l'univers: la matière noire, la substance invisible qui représente environ 85% de toutes les matières existantes.
La recherche a été dirigée par la cosmologue Vera Gluscevic, qui est professeure agrégée au USC Dornsife College of Letters, Arts et Sciences; ainsi qu'Ethan Nadler, ancien postdoctoral de l'USC et des observatoires Carnegie qui est maintenant professeur adjoint à l'Université de Californie à San Diego; et Andrew Benson, scientifique du personnel chez Carnegie Observatories.
Ils ont appelé leur projet de simulation « Cozmic » – à base de « simulations cosmologiques de zoom-in avec des conditions initiales au-delà de la matière noire froide ».
Les scientifiques savent depuis des décennies que la matière noire existe, mais jusqu'à présent, ils ne pouvaient pas étudier comment les galaxies naissent et évoluent dans un univers où la matière sombre et normale interagit. Cozmic a rendu cela possible, a déclaré l'équipe.
Le développement de Cozmic et les résultats de l'équipe sont décrits dans un trio d'études publiées aujourd'hui (lundi 16 juin) dans Le journal astrophysiqueune publication de l'American Astronomical Society. (Voir Cozmic I, Cozmic II et Cozmic III)
Le cœur de la matière noire
Les scientifiques savent que la matière noire est réelle car elle affecte la façon dont les galaxies se déplacent et restent ensemble. Par exemple, les galaxies tournent si vite qu'elles devraient se séparer, mais elles ne le font pas. Quelque chose d'invisible les maintient ensemble; De nombreux scientifiques croient que la matière noire est au cœur de cela – une idée suggérée pour la première fois en 1933 par un chercheur suisse, Fritz Zwicky. La recherche sur la matière noire a évolué depuis.
La matière noire est difficile à étudier car elle n'émet pas de lumière ou d'énergie qui peut être facilement détectée. Les scientifiques étudient la matière noire en regardant comment cela affecte les mouvements et les structures comme les galaxies. Cependant, c'est un peu comme étudier l'ombre de quelqu'un sans pouvoir examiner en détail la personne réelle qui jette l'ombre.
Pour la suite d'études, l'équipe de recherche a franchi la mesure du déploiement de la physique de la nouvelle physique – pas seulement de la physique et de la relativité standard des particules – et a programmé un supercalculateur pour créer des simulations cosmologiques très détaillées par Cozmic pour tester différentes idées sur ce que pourrait faire.
« Nous voulons mesurer les masses et autres propriétés quantiques de ces particules, et nous voulons mesurer comment elles interagissent avec tout le reste », a déclaré Gluscevic. « Avec Cozmic, pour la première fois, nous sommes en mesure de simuler des galaxies comme la nôtre sous les lois physiques radicalement différentes – et tester ces lois contre les observations astronomiques réelles. »
En plus de Glusevic, Nadler et Benson, l'équipe derrière Cozmic comprend Hai-Bo Yu de UC Riverside; Daneng Yang, anciennement de UC Riverside et maintenant à Purple Mountain Observator CAS; Xiaolong du de l'UCLA; et Rui an, anciennement de l'USC.
Plusieurs scénarios de matière noire
« Nos simulations révèlent que les observations des plus petites galaxies peuvent être utilisées pour distinguer les modèles de matière noire », a déclaré Nadler.
Pour les études avec Cozmic, les scientifiques ont pris en compte les scénarios de comportement de matière noire suivants:
- Modèle de billard: Dans cette première étude, chaque particule de matière noire entre en collision avec les protons au début de l'univers, un peu comme les boules de billard lorsqu'elles sont déclenchées pour la première fois. Cette interaction lisse les structures à petite échelle et élimine les galaxies satellites de la Voie lactée. L'étude comprend également des scénarios où la matière noire se déplace à grande vitesse, et d'autres dans lesquelles il est composé de particules de masse extrêmement faible.
- Modèle du secteur mixte: Cette deuxième étude est un scénario hybride dans lequel certaines particules de matière noire interagissent avec la matière normale, mais d'autres la traversent.
- Modèle d'auto-interaction: Pour cette troisième étude, les scientifiques ont simulé un scénario dans lequel la matière noire interagit avec elle-même à l'aube et aujourd'hui, modifiant la formation de galaxie à travers l'histoire cosmique.
Tout en exécutant ces simulations, les scientifiques saisissent une nouvelle physique dans le supercalculateur pour produire une galaxie dont la structure porte les signatures de ces interactions entre la matière normale et la matière noire, a déclaré Benson.
Gluscevic a ajouté: « Alors que de nombreuses suites de simulation précédentes ont exploré les effets de la masse de la matière noire ou de l'auto-interactions, jusqu'à présent, aucune n'a simulé les interactions de matière noire avec la matière normale. De telles interactions ne sont pas exotiques ou invraisemblables. Ils sont, en fait, susceptibles d'exister. »
Une nouvelle journée pour la matière noire
L'équipe dit que c'est un grand pas en avant pour déterminer ce qu'est vraiment la matière noire. Ils espèrent qu'en comparant leurs galaxies jumelles à de vraies images de télescope, ils peuvent se rapprocher encore de la résolution de l'un des plus grands mystères de l'espace.
« Nous sommes enfin en mesure de demander: » Quelle version de l'univers ressemble le plus à la nôtre? « », A déclaré Gluscevic.
L'équipe cozmique prévoit d'étendre son travail en testant directement les prédictions de leurs simulations avec des données de télescope afin qu'ils puissent découvrir des signatures de comportement de matière noire dans les vraies galaxies.
Cette prochaine étape pourrait rapprocher les scientifiques que jamais de comprendre ce qu'est la matière noire et comment elle façonne le cosmos.
