La nouvelle théorie de la matière noire explique deux énigmes en astrophysique

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 auto-interactive », ou SIDM, propose que les particules de matière noire interagissent elles-mêmes par l'intermédiaire d'une force obscure, entrant fortement en collision les unes avec les autres à proximité du centre d'une galaxie.

Dans un ouvrage publié dans Les lettres du journal astrophysiqueune 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.

“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 difficile à expliquer par la théorie froide de la matière noire. »

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.

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.”

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 idéal pour réconcilier 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.